一种基于自由曲面全反射的原子传感器光学系统技术方案

本发明专利技术提出一种基于自由曲面全反射的原子传感器光学系统，克服传统光路结构由多个光学元件组成带来不足，设计自由曲面透镜作为单一元件完成激光光束的准直、扩束和反射，实现光路结构简化，提升系统稳定性，有利于减小光路中的光功率衰减以及抑制光学器件可能带来的波动。的波动。的波动。

【技术实现步骤摘要】
一种基于自由曲面全反射的原子传感器光学系统


[0001]本专利技术涉及原子传感器光学系统设计
，特别是一种基于自由曲面全反射的原子传感器光学系统，用于小型化核磁共振陀螺惯性测量装置激光光束整形。

技术介绍

[0002]核磁共振陀螺仪(Nuclear magnetic resonance gyroscope，NMRG)作为一种原子传感器，集合了光、电、磁、热等多种类的核心器部件，随着芯片化原子传感器的应用需求，其具有高精度、小型化、低成本的发展趋势。特别地，对于核磁共振陀螺仪小型化这一关键技术，一方面要求核心器件微小型化且保证性能不退化，另一方面要求模块化各个模组以提升系统稳定性，降低装调难度，适用于小型化封装。
[0003]其中光路模块是小型化核磁共振陀螺实现原子极化和激光检测的关键组成部分，因此光路模块的小型化、集成化程度是影响原子传感器体积减小的重要影响因素，同时这也为光学器件的选用、光路结构的设计提出更高的要求。
[0004]目前小型化核磁共振陀螺样机的光路组成往往包括激光器、准直扩束透镜、反射镜、偏振器件、光电探测器等。
[0005]其中，激光器提供原子极化和信号检测的光源，光路模块从作用机理上可以分为抽运光路和检测光路。抽运光路极化碱金属原子，碱金属原子再与惰性原子核发生自旋交换，检测光路完成惰性原子核在磁场中的拉莫尔进动频率与载体转动角速度的检测。由于未经整形的激光具有一定的发散角，需要通过准直扩束等方式获得一定光斑大小的平行光，以保证一定的原子极化率和极化均匀性，从而抑制核磁共振陀螺误差，提升零偏稳定性。
[0006]根据激光器与原子气室相对位置的不同，光路主要分为两种形式，直通导入式和反射导入式。现有光路中抽运光路的激光经过准直扩束一体化封装透镜后再经过四分之一波片，完成光束的圆偏振化后入射到气室极化原子；检测光路的激光经过准直扩束一体化封装透镜后，通过反射镜折转光路再进入气室用于检测。
[0007]要想实现光路模块的小型化和集成，需要简化光路结构以及集成光路元件，同时这也有助于减小光路中的光功率衰减以及抑制光学器件可能带来的波动。
[0008]自由曲面具有相当大的自由度和灵活度，采用自由曲面作为透镜或者反射面的表面，将会大大提高系统性能，达到减小光路体积、折叠光路、改变光路走向等目的。因此，基于对光路模块小型化、集成化的需求，以自由曲面作为透镜或者反射面的表面，设计原子传感器光学系统，通过单一光学元件实现激光光束的扩束、准直和反射，减小原子传感器装调难度，简化光路结构，减少光学器件的数量以减小光功率损耗和抑制光波动。

技术实现思路

[0009]在芯片化原子传感器的应用需求下，本专利技术针对现有小型化核磁共振陀螺光路结构对其体积的限制和装调上带来的不便，提供一种基于自由曲面全反射的原子传感器光学
系统，克服传统光路结构由多个光学元件组成带来不足，实现光路结构简化，提升系统稳定性，有利于减小光路中的光功率衰减以及抑制光学器件可能带来的波动。
[0010]本专利技术的技术解决方案如下：
[0011]一种基于自由曲面全反射的原子传感器光学系统，其特征在于，包括对激光光束进行准直、扩束和反射的单一器件自由曲面透镜，所述自由曲面透镜具有作为激光光束输入面的面型为柱面的第一面，具有作为激光光束反射面的面型为抛物面的第二面，和具有作为激光光束输出面的面型为平面的第三面，所述第三面形成透镜体上侧面，所述第一面形成透镜体左侧面，所述左侧面的底边通过所述第二面连接所述上侧面的右边。
[0012]所述激光光束来自激光器，所述激光器的出射光发散角使得激光光束在所述第一面形成第一光斑，所述第一光斑在所述第二面形成比所述第一光斑面积更大的第二光斑，所述第二光斑反射到所述第三面形成达到目标光斑尺寸的平行出射光束，所述平行出射光束垂直于所述第三面。
[0013]所述第一面和第三面均设置有增透膜，所述第三面的增透膜上设置有二分之一波片。
[0014]所述第三面的上方设置有气室，所述第三面的出射光束通过所述气室的激光光束入射面进入所述气室。
[0015]所述激光光束的光源发射点位于所述柱面与所述抛物面的对称轴之间，所述柱面的中心轴与所述抛物面的对称轴重合。
[0016]设抛物面焦准距为P，抛物面对称轴为竖轴Y轴，横轴为X轴，纵轴为Z轴，对称轴与抛物面的交点为原点O，则所述抛物面满足x2+z2＝2Py；在XOY平面内光轴与Y轴的交点为(0，P/2)，光轴与抛物线的交点为(P，P/2)。
[0017]使用光学设计方法，模拟激光出射光经过自由曲面透镜的光路以确定所述自由曲面透镜的参数。
[0018]设定经过自由曲面透镜全反射出射后的光斑半径、光束发散角以及出射光功率衰减率作为优化目标，调整激光器与自由曲面透镜的距离，优化自由曲面透镜的第一面柱面和第二面抛物面的曲率半径，使得所模拟的光线经过自由曲面透镜三个面之后的光束达到目标光斑大小，且保证一定的准直性和光功率大小。
[0019]本专利技术的技术效果如下：本专利技术一种基于自由曲面全反射的原子传感器光学系统，采用自由曲面透镜作为单一光学器件完成激光光束的准直、扩束和反射，减少了光学元件数量，降低了光路的复杂性，有助于减小光路中的光功率衰减以及抑制光学器件带来的波动。同时单一元件的使用简化了设备安装难度，其中自由曲面透镜出射面与二分之一波片进行胶合，有助于光路构建和装调，提高了系统稳定性，为精简光路提供了一种新方案。
[0020]本专利技术具有以下特点：(1)本专利技术方案采用自由曲面透镜作为单一光学器件对激光光束进行准直、扩束和反射，自由曲面透镜设计具有高度灵活性，可以在单一元件的基础上完成激光光束的整形，对于减少小型化核磁共振陀螺光路体积、简化光路结构具有明显优势。(2)本专利技术方案有效地减少了光学元件数量，降低了光路构建和装调难度，提高了系统稳定性。(3)本专利技术方案可以有助于减小光路中的光功率衰减以及抑制光学器件带来的波动。
附图说明
[0021]图1是实施本专利技术一种基于自由曲面全反射的原子传感器光学系统结构示意图。
[0022]图2是图1中自由曲面透镜的结构示意图。图2中原点O为抛物面对称轴与抛物面的交点，抛物面对称轴即y轴，
[0023]图3是图1中自由曲面透镜模型示意图。
[0024]图4是基于自由曲面全反射的光路模型示意图。
[0025]附图标记列示如下：1
‑
激光器；2
‑
光轴；3
‑
气室；4
‑
自由曲面透镜；5
‑
增透膜；6
‑
第二面(位于右下侧，面型为抛物面，激光光束反射面)；7
‑
第一面(位于左侧，面型为柱面，激光光束输入面)；8
‑
第三面(位于上侧，面型为平面，激光光束输出面)；9
‑
1/2波片或二分之一波片；(0，P/2)
‑
抛物面焦点；(P，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于自由曲面全反射的原子传感器光学系统，其特征在于，包括对激光光束进行准直、扩束和反射的单一器件自由曲面透镜，所述自由曲面透镜具有作为激光光束输入面的面型为柱面的第一面，具有作为激光光束反射面的面型为抛物面的第二面，和具有作为激光光束输出面的面型为平面的第三面，所述第三面形成透镜体上侧面，所述第一面形成透镜体左侧面，所述左侧面的底边通过所述第二面连接所述上侧面的右边。2.根据权利要求1所述的基于自由曲面全反射的原子传感器光学系统，其特征在于，所述激光光束来自激光器，所述激光器的出射光发散角使得激光光束在所述第一面形成第一光斑，所述第一光斑在所述第二面形成比所述第一光斑面积更大的第二光斑，所述第二光斑反射到所述第三面形成达到目标光斑尺寸的平行出射光束，所述平行出射光束垂直于所述第三面。3.根据权利要求1所述的基于自由曲面全反射的原子传感器光学系统，其特征在于，所述第一面和第三面均设置有增透膜，所述第三面的增透膜上设置有二分之一波片。4.根据权利要求1所述的基于自由曲面全反射的原子传感器光学系统，其特征在于，所述第三面的上方设置有气室，所述第三面的出射光束通过所述气室的激光光束入射面进入...

【专利技术属性】
技术研发人员：柴真，徐燕，茅耘恺，李建利，刘占超，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：