[发明专利]一种微小型原子传感器光学系统设计方法

摘要

本发明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。

主权项

1.一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)在准直扩束部分和原子气室之间，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；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；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；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(31)、凹透镜后表面半径(32)，凸透镜前表面半径(33)、凸透镜后表面半径(34)，以及凹透镜厚度(35)、两透镜距离(36)、凸透镜厚度(37)；所述步骤(1)中，参数优化过程需要按照一定顺序逐个进行，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(31)、凹透镜后表面半径(32)、凸透镜前表面半径(33)、凸透镜后表面半径(34)，以及凹透镜厚度(35)、两透镜距离(36)、凸透镜厚度(37)的影响大小，优先优化影响大的参数；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。