一种微小型原子传感器光学系统设计方法技术方案

本发明专利技术涉及一种微小型原子传感器光学系统设计方法。微小型原子传感器的光学系统包括激光器及其准直扩束部分、偏振控制部分、原子气室以及检测部分。该设计方法基于Zemax软件仿真和误差分析，包括以下步骤：利用序列模式对激光器准直扩束部分进行建模，并优化其准直效果和公差容限；利用序列模式对整体光学系统进行建模，并分析各光学元件的误差对准直效果的影响，对各光学元件的加工和安装提出精度要求；利用非序列模式对整体光路进行建模，分析误差对气室和探测器处光强大小和光强分布的影响，检验公差和光束质量是否满足传感器精度的要求。本发明专利技术仿真结果准确，为加工和安装精度提供了参考指标，大大方便了微小型原子传感器的设计。

【技术实现步骤摘要】
一种微小型原子传感器光学系统设计方法
本专利技术涉及原子传感器领域，具体涉及一种微小型原子传感器光学系统设计方法，该方法仿真结果准确，为加工和安装精度提供了参考指标，大大方便了微小型原子传感器的设计。
技术介绍
近年来，随着物理学的飞速发展、冷原子、量子光学等理论的突破以及激光、量子操控等技术的进步，以单个原子或原子系综作为敏感介质的传感器逐渐受到关注和重视。在时间、惯性、磁场等方面均已出现了高精度、高灵敏度的原子传感器，部分已经实现了工程应用，给相关领域带来了技术变革。同时，微机电领域的突破和微加工技术的进步，使得小型化、低成本成为各种传感器件发展的重要趋势，原子传感器也不例外。国内外很多单位都在进行微小型原子传感器的研究，有些单位已研制出芯片原子钟、芯片原子磁强计或MEMS原子陀螺仪等微小型原子传感器样机；但总体而言，微小型原子传感器的研究还未形成理论体系，小型化过程中仍然存在很多技术难题亟待突破，例如很多原子传感器都需要采用光学手段检测，光路的对准精度对传感器性能影响很大，但体积的减小会使得光路难以调节。为减小光路调节难度，可以在设计时对光学系统进行仿真，确定系统参数，缩小调节范围。针对微小型原子传感器的光学系统设计方法还未见专门研究。传统的光学设计方法分为成像与非成像两类，其中基于成像的光学设计方法主要考虑像差，基于非成像的光学设计方法主要考虑强度分布。而原子传感器需要检测到达探测器的光强，因此在其光学系统设计中，既需要得到准直效果良好的光束，又需要考虑各元件对光强分布的影响；同时为了方便小型化光路的装调，还需要对误差的影响进行量化分析与严格控制。因此，有必要研究一种专门的设计方法，结合成像与非成像两类设计方法的特点，并考虑各元件加工和安装误差的影响，以对微小型原子传感器的光学系统进行更精确的仿真与设计。
技术实现思路
本专利技术的目的是：克服现有技术的不足，提供一种专门对微小型原子传感器的光学系统进行设计的方法，能够在考虑误差影响的基础上进行准确的仿真与设计，从而为加工和安装精度提供参考，方便微小型原子传感器的设计。本专利技术的技术方案是：一种微小型原子传感器光学系统设计方法，具体包括以下三个步骤：步骤(1)利用序列模式对激光器准直扩束部分进行建模，并优化其准直效果和公差容限；步骤(2)利用序列模式对整体光学系统进行建模，并分析各光学元件的误差对准直效果的影响，对各光学元件的加工和安装提出精度要求；步骤(3)利用非序列模式对整体光路进行建模，分析误差对气室和探测器处光强大小和光强分布的影响，检验公差和光束质量是否满足传感器精度的要求。其中，所述微小型原子传感器光学系统包括激光器及其准直扩束部分、偏振控制部分、原子气室以及检测部分，其中激光器及其准直扩束部分作为光源，提供尺寸合适、准直良好的光束；偏振控制部分在准直扩束透镜和原子气室之间，利用偏振分束棱镜和波片控制光强和偏振态，使得光强合理的圆偏振光即抽运光或线偏振光即检测光进入原子气室；原子气室是核心敏感部件，内部的极化气体作为敏感介质，会使检测光的偏振面发生变化；检测部分通过差分检测的方法来检测偏振面的变化。其中，所述微小型原子传感器光学系统，其光源采用半导体激光器，准直扩束部分采用一个凹透镜和一个凸透镜组合成的胶合透镜组。其中，所述步骤(1)中，需要设计和优化的参数包括凹透镜前表面半径、凹透镜后表面半径，凸透镜前表面半径、凸透镜后表面半径，以及凹透镜厚度、两透镜距离、凸透镜厚度。其中，所述步骤(1)中，参数优化过程需要按照一定顺序逐个进行，即首先根据优化函数与赛德尔系数评估参数凹透镜前表面半径、凹透镜后表面半径、凸透镜前表面半径、凸透镜后表面半径，以及凹透镜厚度、两透镜距离、凸透镜厚度的影响大小，优先优化影响大的参数。其中，所述步骤(2)中，考虑的误差包括各个元件的倾斜和偏心误差，主要关注误差对探测器处光斑偏心的影响，通过误差分析对元件的加工和安装精度提出要求。其中，所述步骤(3)中，主要分析气室和探测器处的光强大小和光强分布，并观察误差对到达两个探测器光强差值的影响。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术综合了成像和非成像设计方法的特点，既优化准直效果，又考虑强度分布，适用于原子陀螺仪、原子磁强计等多种微小型原子传感器的光学系统设计。(2)本专利技术详细分析了误差对整体光学系统的影响，为加工和安装精度提供了参考指标；且着重分析了误差对到达差分检测两个探测器光强差值的影响，与测量精度直接相关，大大方便了微小型原子传感器的结构与光学系统设计。(3)本专利技术结合了几何光学与物理光学分析，利用几何光学对结构进行了充分优化，同时利用物理光学观察了高斯光束的光束质量，仿真结果准确，设计流程简便。附图说明图1为本专利技术的一种微小型原子传感器光学系统设计方法总体流程图；图2为本专利技术的微小型原子传感器光学系统结构图，其中，21为激光器及其准直扩束部分，22为偏振控制部分，23为原子气室，24为检测部分；图3为本专利技术的微小型原子传感器光学系统准直扩束部分光路图，其中，31为凹透镜前表面半径，32为凹透镜后表面半径，33为凸透镜前表面半径，34为凸透镜后表面半径，35为凹透镜厚度，36为两透镜距离，37为凸透镜厚度；图4为本专利技术的非序列仿真气室前光斑分布图，其中，图4(a)为位置空间光强分布图，图4(b)为角度空间光强分布图。具体实施方式下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本专利技术。本专利技术的具体实施步骤如图1所示，共包括3个步骤。由于准直扩束部分是整个光学系统中最复杂的部分，准直透镜的各项参数对光束都有较大影响，因此首先要对该部分进行设计和优化，然后再对整体光路进行建模和优化。为了充分利用Zemax软件的优化功能，整体光路设计先在序列模式下进行，主要在指定的光斑大小下优化光束准直效果。同时，光学系统的加工和安装过程中会产生很多误差，为了使光学系统易于装调、满足样机指标要求，需要在设计阶段充分考虑误差的影响，努力提高系统公差容限。最后，由于软件序列模式下按照几何光学理论分析系统，对于激光系统的高斯光束而言还存在一定误差，因此需要在Zemax软件的非序列模式下模拟实际系统的光强分布与传输，检验设计是否满足使用需求。具体步骤如下：步骤1、利用序列模式对激光器准直扩束部分进行建模，并优化其准直效果和公差容限；可以补充具体步骤；首先要根据所需焦距确定准直扩束透镜的初始结构，而后以发散角和光斑大小构造优化函数进行参数优化。对优化后的结构进行公差检验，如果公差容限不能满足系统精度需求，则需改进结构，或者在加工时严格控制相关表面的精度。步骤2、利用序列模式对整体光学系统进行建模，并分析各光学元件的误差对准直效果的影响，对各光学元件的加工和安装提出精度要求；根据系统精度需求，对光束发散角及偏心误差的允许值提出要求，而后建立序列模型仿真各光学元件的加工和安装误差，分析引入误差后对光束的影响，据此确定各元件允许的误差范围。步骤3、利用非序列模式对整体光路进行建模，分析误差对气室和探测器处光强大小和光强分布的影响，检验公差和光束质量是否满足传感器精度要求。建立非序列模型模拟实际高斯光束的传播，并据此检验光束发散角、均匀性和光强大小是否满足系统需求；而后分析误差的影响，根据步骤2所确定的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微小型原子传感器光学系统设计方法，其特征在于：该设计方法利用软件Zemax仿真，具体包括以下步骤：步骤(1)利用序列模式对激光器准直扩束部分进行建模，并优化其准直效果和公差容限；步骤(2)利用序列模式对整体光学系统进行建模，并分析各光学元件的误差对准直效果的影响，对各光学元件的加工和安装提出精度要求；步骤(3)利用非序列模式对整体光路进行建模，分析误差对气室和探测器处光强大小和光强分布的影响，检验公差和光束质量是否满足传感器精度的要求。

【技术特征摘要】
1.一种微小型原子传感器光学系统设计方法，其特征在于：该设计方法利用软件Zemax仿真，具体包括以下步骤：步骤(1)利用序列模式对激光器准直扩束部分进行建模，并优化其准直效果和公差容限；步骤(2)利用序列模式对整体光学系统进行建模，并分析各光学元件的误差对准直效果的影响，对各光学元件的加工和安装提出精度要求；步骤(3)利用非序列模式对整体光路进行建模，分析误差对气室和探测器处光强大小和光强分布的影响，检验公差和光束质量是否满足传感器精度的要求。2.根据权利要求1所述的一种微小型原子传感器光学系统设计方法，其特征在于：所述微小型原子传感器光学系统包括激光器及其准直扩束部分(21)、偏振控制部分(22)、原子气室(23)以及检测部分(24)，其中激光器及其准直扩束部分(21)作为光源，提供尺寸合适、准直良好的光束；偏振控制部分(22)在准直扩束透镜和原子气室之间，利用偏振分束棱镜和波片控制光强和偏振态，使得光强合理的圆偏振光即抽运光或线偏振光即检测光进入原子气室；原子气室(23)是传感器的核心敏感部件，内部的极化气体作为敏感介质，会使检测光的偏振面发生变化；检测部分(24)通过差分检测的方法来检测偏振面的变化。3.根据权利要求2所述的一种微小型原子传感器光学系统设计方法，其特征在于：所述微小型原子传感器光学系统，...

【专利技术属性】
技术研发人员：周斌权，房建成，贾雨棽，陈琳琳，吴文峰，雷冠群，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11