偏振无关旋光双反射结构温度-辐射环境自补偿现象研究

The polarization-independent reflection structure is based on two magneto-optical crystals and two mirrors is proposed by the project applicant who is verified by experiment. This optical structure is used to a high reliability polarization-independent reflection in the broadband and the whole incident angle condition. The environmental compensation mechanism is observed in the experiment which keeps the performance of optical structure stable when the environment is changing. In order to investigate the possibility of this optical structure is applied in the satellite system. This project will research the formation mechanism of environmental compensation mechanism and built the quantization mathematical model of this reflection structure. Changes of compensation mechanism will be studied by put the reflection structure in alternative temperature and radiation environment. The quantization mathematical model will be correction with temperature and radiation. A prediction model of this structure is applied in satellite platform will be presented. This project will present a new approach to create a long life polarization-independent reflection for the satellite optical system. The research findings can be used in the fine tracking system of satellitebased coherent laser communication system and quantum communication system.

旋光双反射结构是申请者提出并初步实验验证了的一种光学结构，主要用于宽频带、全入射角条件下的高可靠性偏振无关反射；环境自补偿现象是在旋光双反射结构试验研究过程中发现的一种结构整体性能不随环境参数变化而变化的现象。为了研究该反射结构用于星载平台的可能，本项目将对温度交变和辐射两大空间环境因素影响下的旋光双反射结构环境自补偿现象展开研究，主要研究旋光双反射结构环境自补偿现象产生的机理，建立旋光双反射结构的量子化数学模型，通过大范围温度控制和总剂量辐射两种手段实验研究旋光双反射结构的环境自补偿现象变化情况，修正带温度和辐射剂量参数的旋光双反射结构量子化数学模型，并给出在实际空间工作环境下的寿命预测模型。本项目的开展及其预期研究结果将为长寿命星载偏振无关反射机构的研制开辟新的途径，研究成果可望应用于星载空间相干光通信、量子通信等光学系统中的精跟踪子系统内。

捕获跟踪瞄准（ATP）是卫星光学通信系统的重要子系统。它通过反射镜控制光束的方向，完成星间/卫地光链路的对准和稳定。众所周知，普通的反射镜会改变了光子的偏振特性，因此在量子通信系统和相干光通信系统中，必须对ATP反射镜进行特殊处理。例如，为了抵消由反射镜引起的光子偏振的变化，通常需要在反射镜上覆盖多层膜系结构。然而，这种膜系结构在空间环境中要经受辐射和温度交变的严酷考验，其工作寿命将大打折扣。本课题提出的旋光双反射结构能够实现偏振无关反射，特别是这种反射结构不需要对反射镜进行任何特殊处理（如镀膜）。该结构中通过对普通的反射镜和90度旋光晶体的合理配置，能实现任意角度的偏振无关反射。此外，我们还发现该结构具有自稳定性，即当光学器件的偏振特性因环境变化而改变时，反射结构的整体偏振反射特性保持不变。我们推导了基于两块磁旋光晶体和两块反射镜的量子化反射光偏振方程。通过数值仿真模拟了环境变化影响下的反射光偏振特性，发现了双旋转双反射结构的偏振无关反射自稳定性的内在机理是由于旋光双反射结构自身的结构特性产生的。我们对旋光双反射结构中的两种光学元件和整个旋光双反射结构都进行了温度、辐射实验，实验结果表明，反射镜和旋光晶体在温度和辐射条件变化条件下其偏振特性均会发生一定程度的变化，但是旋光双反射结构自身的偏振反射特性却比较稳定。在-45℃~85℃温度范围内，旋光双反射结构反射光的平均偏振保持率可达99.77%。用钴60对反射镜和磁旋光晶体进行总剂量为400gy的辐射，旋光双反射结构的平均偏振保持率为99.35%。实验结果证明，在辐射和温度变化剧烈的空间环境中，旋光双反射结构的偏振无关反射能力可以长期保持稳定。基于这种自稳定性旋光双反射结构可以在空间环境中长期保持较高的偏振无关反射能力。这为星基光通信和星基量子系统中保偏反射元件的选择提供了新的途径。