空间原子氧对保偏反射镜偏振对比度影响的模拟研究

保偏反射镜可同时实现光信号高效传递和偏振对比度的调制,2016年8月16日发射的量子科学试验卫星“墨子号”搭载的光学载荷就使用了多种偏振调控保偏反射镜。

低轨原子氧对空间量子通信系统中保偏反射镜的偏振特性产生影响,造成系统量子编码误码率升高甚至通信失败。基于未来星地间量子通信的长期稳定业务运行需求,研究原子氧长期作用对保偏反射镜偏振特性的影响规律,解决保偏反射镜的工程应用难题显得迫切和必要。

中国科学院上海技术物理研究所段微波研究员课题组选择金属Ag和Ta2O5、SiO2、Al2O3等多种介质薄膜材料,在石英基底上设计和制备保偏波长在810nm和850nm偏振对比度优于10000:1的保偏反射镜样品;根据500kmLEO轨道环境,结合反射镜与卫星飞行迎风面的夹角等实际工况,制定了模拟空间原子氧环境试验,结果表明随着遭遇剂量的增加保偏反射镜偏振对比度呈现衰减趋势,且+/-方向的衰减较H/V方向更明显。

图1 保偏反射镜偏振特性测试结果

 

该课题组研究了原子氧对反射镜偏振特性的作用规律。对于充分氧化的金属氧化物来说,原子氧的强氧化作用并不明显;采用强离子辅助沉积的金属氧化物薄膜具有较高的聚集密度,可对底层Ag薄膜实现较好的保护。引起反射镜偏振对比度下降的主要因素是原子氧高速撞击膜层表面引起的切削和刻蚀效应,因此为了提高保偏反射镜的偏振对比度稳定性,尽可能增大反射镜面法线与飞行器迎风面的夹角,或者选择反射镜镜面朝向背风面等手段,减小原子氧与镜面的碰撞几率。

该研究内容对于推动保偏反射镜在星地间量子通信系统中的长寿命工程化应用,具有重要意义。

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