[发明专利]一种用于球形气室抽运激光系统光束整形的设计方法

说明书

本发明是一种用于球形气室抽运激光系统光束整形的设计方法，具体步骤如下：步骤一、使用光束质量分析仪在多处对经过气室的光斑尺寸进行测试，通过计算得到经过球形气室后的折射光线与气室的交点坐标；步骤二、使用Tracepro软件，模拟光线经过球形气室形成光斑与步骤一的坐标相同得出，球形气室的折射率和厚度；步骤三，经计算得出气室焦距和自由曲面透镜的孔径；步骤四、设计自由曲面透镜的初始结构；步骤五、在Tracepro软件中进行建模，并实现自由曲面透镜的优化设计，实现对球形气室的均匀极化，该方法可满足抽运激光系统和检测激光系统对球形气室进行极化和探测所需的光束整形设计，本发明的方法可用于惯性测量装置、磁强计、陀螺仪等极弱磁探测领域中。

技术领域

本发明专利涉及极弱磁探测领域，高灵敏Serf原子惯性测量装置中的激光光束整形设计，具体说是一种用于球形气室抽运激光系统光束整形的设计方法。

背景技术

基于Serf态原子惯性测量装置可以实现超高灵敏惯性测量，大幅超越现有相关测量手段实现的灵敏度，挑战磁场和惯性测量灵敏度极限，使得人类获得认识世界的新工具，其主要对抽运激光进行扩束设计，整形为平顶光束，且要求扩束后的光斑尺寸足以覆盖碱金属气室的尺寸，实现对碱金属原子的均匀极化，在外界角速度作用下这些原子自旋状态会随之改变，通过对检测激光进行扩束整形为平顶光束，可检测原子自旋态，进而提取角速度信息，在该系统中，抽运激光和检测激光的扩束方式、平顶光束的均匀性、扩束后光线入射碱金属气室的角度均会影响原子的极化效率和检测效果，进而影响系统的灵敏度。

目前普林斯顿大学研制的两套惯性测量装置，对泵浦光系统通过透镜组或扩束器进行简单的扩束设计，使光斑覆盖碱金属气室即可，北京航空航天大学和东南大学研制的惯性测量装置采用同样的方法扩束，上述方法通过实验调制保证光斑覆盖碱金属气室的同时，造成了安装过程的复杂性，最重要的是未考虑光束入射碱金属气室的角度，发散光束在入射时会发生折射，造成极化光斑的偏移及不均匀，尤其是对于球形气室，现象更为严重。

自由曲面透镜相比于其他几种整形方式，可用于非理想光源整形设计、具有设计自由度高，只需单个透镜即可在较短的距离处实现大尺寸目标面的均匀照明，结构简单，更适用于惯性测量装置的抽运光路和检测光路的光束整形设计，因此，一种用于球形气室抽运激光系统光束整形的设计方法，实现对激光光束高效均匀整形设计，提高系统的极化率和灵敏度，该方法通过对碱金属气室进行精确测试和参数计算，可实现对气室的精确建模；通过对自由曲面透镜的设计，可实现对抽运激光系统的均匀扩束设计，通过对气室的焦距的计算，保证光束入射至碱金属气室后准直传播，实现对碱金属原子的均匀极化和检测，进而提高系统的灵敏度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是基于serf原子测量装置中的抽运激光和检测激光系统，提出一种用于球形气室抽运激光系统光束整形的设计方法，实现对光束的均匀高效整形。

为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种用于球形气室抽运激光系统光束整形的设计方法，具体步骤如下：

步骤一，入射光束经过球形气室形成光斑，使用光束质量分析仪在多处对经过气室的光斑尺寸进行测试，通过最小二乘法对测试的光斑尺寸进行拟合，通过计算得到经过球形气室后的折射光线与气室的交点坐标；

步骤二，使用Tracepro软件，模拟光线经过球形气室形成光斑，调试气室的折射率和厚度大小，使得所模拟的光线经过球形气室折射后与气室交点的位置坐标与步骤一所得到的的交点坐标一致，从而得到气室的折射率和厚度；

步骤三，根据几何光学和折反射定律进行计算得出气室焦距，根据三角几何的关系计算得出自由曲面透镜的孔径；

步骤四，使用Tracepro软件，按照上述步骤三种计算得出的孔径，设计自由曲面透镜的初始结构；

步骤五，根据上述步骤所述，在Tracepro软件中进行建模，包括光源、自由曲面透镜、碱金属气室，并实现自由曲面透镜的优化设计，实现对球形气室的均匀极化。