一種量子通信地面站望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種量子通信地面站望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)，由主鏡、次鏡、電動(dòng)偏轉(zhuǎn)反射鏡、分光棱鏡、量子通信模塊和精跟蹤探測(cè)器構(gòu)成。其中在接收光的光束線上依次放置主鏡，在主鏡的反射光線上放置次鏡，在次鏡的反射光線上放置電動(dòng)偏轉(zhuǎn)反射鏡，在電動(dòng)偏轉(zhuǎn)反射鏡的反射光線上放置分光棱鏡，在分光棱鏡的透射光線上放置量子通信模塊，在分光棱鏡的反射光線上放置精跟蹤探測(cè)器。整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的光路傳輸僅需要四塊折轉(zhuǎn)鏡就到達(dá)量子通信模塊，最大限度保證了系統(tǒng)的光學(xué)傳輸效率和偏振對(duì)比度。另外，精跟蹤探測(cè)器直接放置于地面站望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)的一次焦點(diǎn)處，無(wú)須額外的成像鏡頭便可以實(shí)現(xiàn)信標(biāo)光光軸位置的探測(cè)。該光學(xué)系統(tǒng)可以應(yīng)用于地平式或極軸式地面站望遠(yuǎn)鏡中。
【專利說明】一種量子通信地面站望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于量子通信【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種量子通信地面站望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]量子通信是量子信息領(lǐng)域最接近實(shí)用化的方向，自由空間量子通信則可借助空間平臺(tái)建立高穩(wěn)定低損耗信道，實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離量子通信實(shí)驗(yàn)，通過空間平臺(tái)中轉(zhuǎn)將有可能實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的量子通信網(wǎng)絡(luò)。地面站望遠(yuǎn)鏡作為全球量子網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信終端發(fā)射信標(biāo)光的捕獲和高精度跟蹤，完成星上量子信號(hào)光的高效率高保偏度的接收，構(gòu)建高穩(wěn)定、低損耗的量子信道。星載量子通信激光源發(fā)射的是單光子量子信號(hào)，為了避免過大的幾何衰減降低接收效率，通信光束的發(fā)散角很窄，通常在幾十微弧度量級(jí)，這就要求地面站望遠(yuǎn)鏡具有微弧度級(jí)的跟蹤精度。星地量子通信光路經(jīng)過大氣層，大氣湍流引起量子信息傳輸光束和信標(biāo)光束的方向漂移，造成鏈路起伏，為了能抑制大氣湍流引起的抖動(dòng)，地面站望遠(yuǎn)鏡還需要具有很高的控制帶寬。
[0003]目前公知的高精度大口徑跟蹤望遠(yuǎn)鏡都采用復(fù)合軸控制結(jié)構(gòu)。由于望遠(yuǎn)鏡本身受到自身結(jié)構(gòu)的限制，望遠(yuǎn)鏡自身的跟蹤控制帶寬非常有限。將大口徑望遠(yuǎn)鏡和單獨(dú)轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡進(jìn)行結(jié)合構(gòu)成復(fù)合軸系統(tǒng)，在主跟蹤架上裝一個(gè)高低方位均可微動(dòng)的電動(dòng)偏轉(zhuǎn)反射鏡，用以控制發(fā)射和接收光軸的方向，可實(shí)現(xiàn)大范圍的快速高精度跟蹤。(參見文獻(xiàn):馬佳光，捕獲跟蹤與瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的基本技術(shù)問題[J]光學(xué)工程，1989，3(1):1-42)。無(wú)論是地基還是星載跟蹤或激光通信望遠(yuǎn)鏡，均利用復(fù)合軸控制技術(shù)使望遠(yuǎn)鏡達(dá)到較高的跟蹤控制帶寬和精度，但系統(tǒng)中繼光路傳輸反射鏡的數(shù)量較多。
[0004]量子通信地面站望遠(yuǎn)鏡有其不同于經(jīng)典的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)和激光通信地面站望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的特殊性，因?yàn)樵诹孔油ㄐ畔到y(tǒng)中，均以單光子的偏振態(tài)作為信息載體，因此確保星地實(shí)驗(yàn)中發(fā)射端產(chǎn)生一定偏振態(tài)的光子，并使該光子以相同的偏振態(tài)被接收端檢測(cè)是實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。偏振光經(jīng)過星地鏈路傳輸?shù)钠駥?duì)比度變化直接影響通信誤碼率，因此星地量子通信系統(tǒng)要求偏振對(duì)比度越高越好。在量子通信過程中，理論及實(shí)驗(yàn)均證明大氣對(duì)偏振態(tài)的影響可以忽略，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮星上載荷與地面站望遠(yuǎn)鏡的偏振態(tài)影響，目標(biāo)是控制有效載荷與地面站望遠(yuǎn)鏡的偏振對(duì)比度。星上設(shè)備的代價(jià)要高于地面站，因此地面站可以采用如下解決途徑提高偏振對(duì)比度來(lái)降低對(duì)星上載荷的壓力。這些手段主要包括:單片鏡片膜系高保偏設(shè)計(jì)鍍制來(lái)控制單片鏡片的相位延遲，提高單片鏡片的偏振保真度。盡量減少整個(gè)系統(tǒng)中繼反射鏡的數(shù)量:通過優(yōu)化光路設(shè)計(jì)，盡量降低反射鏡數(shù)量，控制系統(tǒng)總的相位延遲量。另外，為了確保精跟蹤探測(cè)器接收到光斑的成像質(zhì)量，還應(yīng)減少成像鏡頭的鏡片數(shù)量。
[0005]如圖2所示，歐洲空間局在西班牙Tenerife島上的量子通信1016mm地面站望遠(yuǎn)鏡利用主鏡和次鏡進(jìn)行量子光接收，利用第三鏡在內(nèi)的庫(kù)德光路對(duì)望遠(yuǎn)鏡的焦點(diǎn)進(jìn)行了折轉(zhuǎn)，折轉(zhuǎn)后利用準(zhǔn)直鏡頭對(duì)光束進(jìn)行了準(zhǔn)直。在光路準(zhǔn)直后利用電動(dòng)偏轉(zhuǎn)反射鏡實(shí)現(xiàn)高精度的復(fù)合軸跟蹤，但其中繼折轉(zhuǎn)傳輸反射鏡的數(shù)量達(dá)到了七塊，成像透鏡也有三組，這大大降低了系統(tǒng)的傳輸效率和偏振保真度。
[0006]中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所公開的專利中提出了一種兼容激光通信的量子通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)作為衛(wèi)星載荷，與地面終端完成通信鏈路建立。該裝置由光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、精跟蹤快速指向鏡，分色片組成，除光學(xué)望遠(yuǎn)鏡外只有兩塊折轉(zhuǎn)反射鏡，具有較少的光路中繼反射鏡元件，但從其公開的光路布局可以看出，這種光路布局只適合于小口徑的量子通信望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，因?yàn)閷?duì)于大口徑的量子通信望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)還缺少一塊第三鏡進(jìn)行光路的折轉(zhuǎn)才能利于量子通信終端的布局。另外從其公開的光路布局可以看出，在其精跟蹤相機(jī)前面還需要額外的一套成像鏡頭，系統(tǒng)較復(fù)雜。
[0007]因此，對(duì)于量子通信地面站望遠(yuǎn)鏡，如果具有較少光路中繼反射鏡元件保證系統(tǒng)偏振保真度，同時(shí)又具有高的跟蹤控制帶寬和精度，將可以大大提高通信的效率，減少系統(tǒng)復(fù)雜程度，降低系統(tǒng)成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種量子通信地面站望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，以克服現(xiàn)有地面站望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中繼折轉(zhuǎn)反射鏡多，精跟蹤相機(jī)需要探測(cè)鏡頭來(lái)聚焦，傳輸效率和偏振對(duì)比度低的缺陷，最大限度保證整個(gè)通信鏈路保偏要求；同時(shí)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)合軸跟蹤，達(dá)到高的跟蹤控制帶寬和精度。本發(fā)明的解決方案是采用主鏡和次鏡作為接收望遠(yuǎn)鏡主光路，電動(dòng)偏轉(zhuǎn)反射鏡即是第三鏡，又作為復(fù)合軸跟蹤控制模式的快速偏轉(zhuǎn)反射鏡部件，分光棱鏡在望遠(yuǎn)鏡的主焦點(diǎn)前對(duì)接收光進(jìn)行分光，一路傳輸至量子通信模塊，完成量子解碼。一路傳輸至精跟蹤探測(cè)器，不需要成像探測(cè)器鏡頭便可以探測(cè)信標(biāo)光，實(shí)現(xiàn)對(duì)信標(biāo)光光斑的提取和定位。
[0009]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種量子通信地面站望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)，所述的光學(xué)系統(tǒng)包括:主鏡，次鏡，電動(dòng)偏轉(zhuǎn)反射鏡，分光棱鏡，量子通信模塊，精跟蹤探測(cè)器。其中在接收光的光束線上放置主鏡，在主鏡的反射光線上放置次鏡，在次鏡的反射光線上放置電動(dòng)偏轉(zhuǎn)反射鏡，在電動(dòng)偏轉(zhuǎn)反射鏡的反射光線上放置分光棱鏡，在分光棱鏡的透射光線上放置量子通信模塊，在分光棱鏡的反射光線上放置精跟蹤探測(cè)器。
[0010]星上載荷發(fā)出的信標(biāo)光經(jīng)過的光路:信標(biāo)光依次通過主鏡、次鏡的反射后，入射到電動(dòng)偏轉(zhuǎn)反射鏡上，經(jīng)電動(dòng)偏轉(zhuǎn)反射鏡反射后到達(dá)分光棱鏡，經(jīng)過分光棱鏡高反射率反射后到達(dá)精跟蹤探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)入射信標(biāo)光位置的實(shí)時(shí)探測(cè)。
[0011]星上載荷發(fā)出的量子光經(jīng)過的光路:量子光依次通過主鏡、次鏡的反射后，入射到電動(dòng)偏轉(zhuǎn)反射鏡上，經(jīng)電動(dòng)偏轉(zhuǎn)反射鏡反射后到達(dá)分光棱鏡，經(jīng)過分光棱鏡高透射率透射后到達(dá)量子通信模塊，實(shí)現(xiàn)量子解碼。
[0012]進(jìn)一步的，所述的電動(dòng)偏轉(zhuǎn)反射鏡為壓電陶瓷或音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可在小角度范圍內(nèi)做快速的偏轉(zhuǎn)。
[0013]進(jìn)一步的，所述的分光棱鏡透射量子光，反射信標(biāo)光。
[0014]進(jìn)一步的，所述的精跟蹤探測(cè)器直接置于望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)的焦點(diǎn)處，無(wú)需額外轉(zhuǎn)折成像鏡頭。
[0015]進(jìn)一步的，所述的精跟蹤探測(cè)器為CCD傳感器或CMOS傳感器。
[0016]進(jìn)一步的，主鏡面形為雙曲面、拋物面或橢球面,對(duì)應(yīng)的次鏡面形為雙曲面或橢球面。
[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點(diǎn)是:整個(gè)系統(tǒng)包括主鏡、次鏡在內(nèi)僅需要四塊折轉(zhuǎn)鏡，最大限度保證了系統(tǒng)的傳輸效率和偏振對(duì)比度。精跟蹤探測(cè)器直接放置于地面站望遠(yuǎn)鏡的焦點(diǎn)處，無(wú)須額外的成像鏡頭便可以實(shí)現(xiàn)信標(biāo)光光軸位置的探測(cè)。將傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡光路中的固定式第三鏡改為電動(dòng)偏轉(zhuǎn)反射鏡，利用精跟蹤探測(cè)器探測(cè)信標(biāo)光的光斑位置并與電動(dòng)偏振反射鏡進(jìn)行閉環(huán)，與望遠(yuǎn)鏡跟蹤架形成復(fù)合軸跟蹤控制策略，使得實(shí)現(xiàn)高帶寬和高精度的跟蹤的同時(shí)保證較高的系統(tǒng)傳輸效率和偏振對(duì)比度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明的量子通信地面站望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的光路示意圖；
[0019]圖中:I表不主鏡,2表不次鏡,3表不電動(dòng)偏轉(zhuǎn)反射鏡,4表不分光棱鏡,5表不量子通信模塊，6表示精跟蹤探測(cè)器。
[0020]圖2為現(xiàn)有技術(shù)的西班牙Tenerife島上的量子通信1016mm地面站望遠(yuǎn)鏡的光路圖。
[0021]圖3為本發(fā)明的實(shí)施例2的跟蹤誤差曲線示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0023]下面結(jié)合附圖1及【具體實(shí)施方式】進(jìn)一步詳細(xì)介紹本發(fā)明。在該實(shí)例系統(tǒng)中，包括主鏡1，次鏡2，電動(dòng)偏轉(zhuǎn)反射鏡3，分光棱鏡4，量子通信模塊5，精跟蹤探測(cè)器6。其中在接收量子光的光束線上依次放置主鏡1，在主鏡I的反射光線上放置次鏡2，在次鏡2的反射光線上放置電動(dòng)偏轉(zhuǎn)反射鏡3，在電動(dòng)偏轉(zhuǎn)反射鏡3的反射光線上放置分光棱鏡4，在分光棱鏡4的透射光線上放置量子通信模塊5，在分光棱鏡4的反射光線上放置精跟蹤探測(cè)器6。
[0024]附圖2給出了西班牙Tenerife島上的量子通信1016mm地面站望遠(yuǎn)鏡的光路圖，該光路圖還僅僅是主光路圖，在光路準(zhǔn)直后利用電動(dòng)偏轉(zhuǎn)反射鏡實(shí)現(xiàn)高精度的復(fù)合軸跟蹤，其中繼折轉(zhuǎn)傳輸反射鏡的數(shù)量達(dá)到了七塊。
[0025]星上載荷發(fā)出的信標(biāo)光經(jīng)過的光路:信標(biāo)光通過主鏡1、次鏡2的反射后，入射到電動(dòng)偏轉(zhuǎn)反射鏡3上，經(jīng)電動(dòng)偏轉(zhuǎn)反射鏡3反射后到達(dá)分光棱鏡4，經(jīng)過分光棱鏡4高反射率反射后到達(dá)精跟蹤探測(cè)器6，實(shí)現(xiàn)對(duì)入射信標(biāo)光位置的實(shí)時(shí)探測(cè)。
[0026]星上載荷發(fā)出的量子光經(jīng)過的光路:量子光通過主鏡1、次鏡2的反射后，入射到電動(dòng)偏轉(zhuǎn)反射鏡3上，經(jīng)電動(dòng)偏轉(zhuǎn)反射鏡3反射后到達(dá)分光棱鏡4，經(jīng)過分光棱鏡4高透射率透射后到達(dá)量子通信模塊5，實(shí)現(xiàn)量子解碼。
[0027]所述的主鏡I是凹反射鏡，可以是雙曲面、拋物面或橢球面鏡；所述的次鏡2是雙曲面或橢球面鏡；所述的電動(dòng)偏轉(zhuǎn)反射鏡3由壓電陶瓷或音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可在小角度范圍內(nèi)做快速的偏轉(zhuǎn)；所述的分光棱鏡4反射量子通信光，透射信標(biāo)光；所述的精跟蹤探測(cè)器6為CCD傳感器或CMOS傳感器。
[0028]本實(shí)施例中，信標(biāo)光波長(zhǎng)532nm，量子光波長(zhǎng)810nm。主鏡I的有效直徑為1000mm，面形為雙曲面，次鏡2的有效直徑為300mm,面形也為雙曲面,主鏡I和次鏡2的組合焦距8000mm,電動(dòng)偏轉(zhuǎn)反射鏡3的有效直徑300mm，偏轉(zhuǎn)角度為3分，由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)，閉環(huán)帶寬IOOHz。分光棱鏡直徑50.8mm,對(duì)量子光透過率99%，對(duì)信標(biāo)光反射率大于99%，精跟蹤探測(cè)器中貞頻400Hz,像元尺寸15um。
[0029]實(shí)施例2
[0030]本實(shí)施例中，信標(biāo)光波長(zhǎng)532nm，量子光波長(zhǎng)810nm。主鏡I的有效直徑為700_，面形為拋物面，次鏡2的有效直徑為150mm，面形為雙曲面，主鏡I和次鏡2的組合焦距6000mm,電動(dòng)偏轉(zhuǎn)反射鏡3的有效直徑300_，偏轉(zhuǎn)角度為3分，由音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)，閉環(huán)帶寬60Hz。分光棱鏡直徑30mm，對(duì)量子光透過率99%，對(duì)信標(biāo)光反射率大于99%，精跟蹤探測(cè)器幀頻200Hz，像元尺寸16um。利用該實(shí)施例進(jìn)行了對(duì)信標(biāo)光進(jìn)行了跟蹤，跟蹤精度達(dá)到了5urad，跟蹤誤差曲線如附圖3所示。
【權(quán)利要求】
1.一種量子通信地面站望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:包括主鏡(1)，次鏡(2)，電動(dòng)偏轉(zhuǎn)反射鏡(3)，分光棱鏡(4)，量子通信模塊(5)，精跟蹤探測(cè)器(6);其中在接收光的光束線上放置主鏡(I )，在主鏡(I)的反射光線上放置次鏡(2)，在次鏡(2)的反射光線上放置電動(dòng)偏轉(zhuǎn)反射鏡(3 ),在電動(dòng)偏轉(zhuǎn)反射鏡(3 )的反射光線上放置分光棱鏡(4),在分光棱鏡(4)的透射光線上放置量子通信模塊(5)，在分光棱鏡(4)的反射光線上放置精跟蹤探測(cè)器(6)；工作過程為: 星上載荷發(fā)出的信標(biāo)光經(jīng)過的光路:信標(biāo)光依次通過主鏡(I)、次鏡(2)的反射后，入射到電動(dòng)偏轉(zhuǎn)反射鏡(3 )上，經(jīng)電動(dòng)偏轉(zhuǎn)反射鏡(3 )反射后到達(dá)分光棱鏡(3 )，經(jīng)過分光棱鏡(3)高反射率反射后到達(dá)精跟蹤探測(cè)器(6)，實(shí)現(xiàn)對(duì)入射信標(biāo)光位置的實(shí)時(shí)探測(cè)； 星上載荷發(fā)出的量子光經(jīng)過的光路:量子光依次通過主鏡(I)、次鏡(2)的反射后，入射到電動(dòng)偏轉(zhuǎn)反射鏡(3)上，經(jīng)電動(dòng)偏轉(zhuǎn)反射鏡(3)反射后到達(dá)分光棱鏡(3)，經(jīng)過分光棱鏡(3 )高透射率透射后到達(dá)量子通信模塊(5 )，實(shí)現(xiàn)量子解碼。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的量子通信地面站望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的電動(dòng)偏轉(zhuǎn)反射鏡(3 )為壓電陶瓷或音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可在小角度范圍內(nèi)做快速的偏轉(zhuǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的量子通信地面站望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的分光棱鏡(4 )透射量子光,反射信標(biāo)光。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的量子通信地面站望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的精跟蹤探測(cè)器(6)直接置于望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)的焦點(diǎn)處，無(wú)需額外轉(zhuǎn)折成像鏡頭。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的量子通信地面站望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的精跟蹤探測(cè)器(6)為CCD傳感器或CMOS傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的量子通信地面站望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:主鏡(I)面形為雙曲面、拋物面或橢球面,對(duì)應(yīng)的次鏡(2 )面形為雙曲面或橢球面。
【文檔編號(hào)】G02B23/04GK103840890SQ201410096430
【公開日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2014年3月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月17日
【發(fā)明者】亓波, 任戈, 楊虎, 周建偉, 黃永梅, 趙華 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所