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星间通信系统高精度分光镜的研制

王振宇,付秀华,林兆文,黄健山,魏雨君,吴桂青,潘永刚,董所涛,王奔

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王振宇, 付秀华, 林兆文, 黄健山, 魏雨君, 吴桂青, 潘永刚, 董所涛, 王奔. 星间通信系统高精度分光镜的研制[J]. . doi: 10.37188/CO.2023-0100
引用本文: 王振宇, 付秀华, 林兆文, 黄健山, 魏雨君, 吴桂青, 潘永刚, 董所涛, 王奔. 星间通信系统高精度分光镜的研制[J]. .doi:10.37188/CO.2023-0100
WANG Zhen-yu, FU Xiu-hua, LIN Zhao-wen, HUANG Jian-shan, WEI Yu-jun, WU Gui-qing, PAN Yong-gang, DONG Suo-tao, WANG Ben. Development of high-precision beam splitter for inter-satellite communication system[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2023-0100
Citation: WANG Zhen-yu, FU Xiu-hua, LIN Zhao-wen, HUANG Jian-shan, WEI Yu-jun, WU Gui-qing, PAN Yong-gang, DONG Suo-tao, WANG Ben. Development of high-precision beam splitter for inter-satellite communication system[J].Chinese Optics.doi:10.37188/CO.2023-0100

星间通信系统高精度分光镜的研制

doi:10.37188/CO.2023-0100
基金项目:2022年度中山市第二批社会公益与基础研究项目(No. 2022B2005)、长春市 制造与检测装备科技创新中心 长科技合(No. 20142)
详细信息
    作者简介:

    王振宇(1997—),男,吉林省吉林市人,研究生在读,主要从事光学薄膜方面的研究。E-mail:wangzhenyu0913@163.com

    付秀华(1963—),吉林长春人,博士,教授,博士生导师,主要从事光学薄膜、光学工艺等方面的研究。E-mail:goptics@163.com

  • 中图分类号:O484

Development of high-precision beam splitter for inter-satellite communication system

Funds:Supported by the second batch of social welfare and basic research projects in Zhongshan city in 2022 (No. 2022B2005)、Changchun Laser Manufacturing and Testing Equipment Science and Technology Innovation Center Changhe (No. 2014219)
More Information
    Corresponding author:goptics@126.com
  • 摘要:

    随着星间通信系统的迅速发展,数据传输的精度要求不断提高。分光镜作为系统的核心元件,其光谱特性和面形精度直接影响整个系统的传输精度。本文基于薄膜干涉理论,选取Ta2O5与SiO2作为高低折射率膜层材料进行膜系设计,采用电子束蒸发的方式在石英基板上制备高精度分光镜。同时根据膜层应力补偿原理建立面形修正模型,修正分光镜面形。经光谱分析仪检测,分光镜在入射角度为21.5°~23.5°范围内,1563 nm透过率大于98%,1540 nm反射率大于99%。经 干涉仪检测,分光镜反射面形精度RMS由λ/10修正至λ/90(λ=632.8 nm),透过面形精度RMS为λ/90。

  • 图 1分光膜设计曲线

    Figure 1.Spectra of the beam splitter

    图 2分光镜设计曲线

    Figure 2.Spectra of the beam splitter

    图 3薄膜应力(a)张应力(b)压应力

    Figure 3.Thin film stress (a) Tensile stress (b) Compressive stress

    图 4基底的反射波前示意图

    Figure 4.Schematic diagram of reflection wavefront of the substrate

    图 5基底的矢高与曲率半径示意图

    Figure 5.Schematic diagram of the Power and radius curvature of the substrate

    图 6分光膜的透过曲线

    Figure 6.Transmittance curve of beam splitter

    图 7四片样品能量谱密度图

    Figure 7.Schematic diagram of power spectral density of 4 samples

    图 8四片样品的透过率曲线

    Figure 8.Schematic diagram of transmittance curve of 4 samples

    图 9样品Power改变量随沉积SiO2厚度变化的拟合曲线

    Figure 9.Fitting curve of the change in sample Power with the thickness of deposited SiO2

    图 10分光镜能量谱密度图

    Figure 10.Power spectrum density of beam splitter

    图 11分光镜的透过率曲线

    Figure 11.Transmittance curve of beam splitter

    表 1材料沉积工艺参数

    Table 1.Material deposition process parameters

    材料 沉积速率/(nm·s−1) 起始真空度/(×10−4Pa) 沉积温度/(°C)
    Ta2O5 0.4 7 220
    SiO2 0.6 7 220
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    表 2不同离子源工艺参数沉积的SiO2薄膜对样品的Power改变量

    Table 2.Change in Power of samples by SiO2films deposited by different ion source process parameters

    编号 电压/V 束流/mA 面形图 ∆power(λ)
    基底 沉积后
    1 1 100 950 0.148 5
    2 1 000 920 0.160 2
    3 950 900 0.182 1
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    表 3离子源工艺参数

    Table 3.Process parameters of ion source

    材料 电压/
    V
    束流/
    mA
    气体 O2/
    Sccm
    气体 Ar/
    Sccm
    Ta2O5 1 100 950 50 8
    SiO2(直控) 1 100 950 50 8
    SiO2(背反) 950 900 50 8
    SiO2(晶控) 950 900 50 8
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    表 4样品沉积分光膜的面形结果

    Table 4.Surface shape results of sample deposited beam splitter

    类别 编号 1# 2# 3# 4#
    基底 面形图
    PV(λ) 0.074 6 0.076 1 0.077 4 0.072 3
    RMS(λ) 0.008 7 0.009 2 0.009 7 0.008 3
    Power(λ) 0.007 3 0.008 1 0.008 4 0.007 8
    沉积后 面形
    PV(λ) 0.516 7 0.528 9 0.531 6 0.515 3
    RMS(λ) 0.111 8 0.111 6 0.111 4 0.111 9
    Power(λ) −0.385 9 −0.383 9 −0.382 7 −0.3854
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    表 5样品Power改变量与A值随沉积SiO2膜层厚度变化的数据

    Table 5.Data on the variation of sample Power change andA-value with the thickness of deposited SiO2film

    SiO2厚度(nm) ∆Power(λ) A(∆λ/100 nmSiO2)
    3 500 0.155 1 0.004 43
    5 000 0.228 0 0.004 56
    6 500 0.308 8 0.004 75
    8 000 0.394 4 0.004 93
    9 500 0.488 3 0.005 14
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    表 6修正前后样品的面形参数

    Table 6.Surface parameters of samples before and after correction

    类别 面形图 PV(λ) RMS(λ) Power(λ)
    修正前 0.531 6 0.111 4 −0.382 7
    修正后 0.121 9 0.016 2 −0.042 9
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    表 7修正前后的面形参数与面形图

    Table 7.Surface parameters and surface profile before and after correction

    类别 面形图 PV(λ) RMS(λ) Power(λ)
    基底 0.0723 0.0083 0.0078
    修正前( 反射面形) 0.5153 0.1119 −0.3854
    修正后(反射面形) 0.0888 0.0107 −0.0153
    修正前(透过面形) 0.0694 0.0097 0.0136
    修正后(透过面形) 0.0783 0.0103 0.0141
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