CN107942511A - 一种微小型原子传感器光学系统设计方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种微小型原子传感器光学系统设计方法

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明的目的是：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。

本发明的技术方案是：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。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明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)本发明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)本发明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为本发明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为本发明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为本发明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为本发明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发明。

本发明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所确定的范围引入各光学元件的加工和安装误差，观察误差对气室前光强大小、光斑均匀性，以及探测器处两个探测器光强差值的影响，对影响较大的误差项需要在加工和安装中严格控制，或改进相关参数的设计。

图2为本发明的微小型原子传感器光学系统结构图，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，其中上图为抽运光路，下图为检测光路。抽运光路与检测光路采用相同的激光器及其准直扩束透镜作为光源，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入射气室的光强和偏振态，其中抽运光路需要在偏振分光棱镜PBS后面加入一个四分之一波片用于提供圆偏振光，检测光路则采用线偏振光；原子气室是核心敏感部件，抽运激光使得内部的气体极化，而敏感物理量会使检测光的偏振面发生变化；检测部分主要是检测光路需要通过差分来检测偏振面的变化，提供惯性或磁场等物理量的测量信号，而抽运光路的检测部分仅用于监测气室后的光强。

图3为本发明的微小型原子传感器光学系统准直扩束部分光路图。准直扩束透镜采用一个凹透镜和一个凸透镜组合成的胶合透镜组，为了满足微小型原子传感器小型化、高精度的需求，需要在指定的光斑大小范围内尽量缩小激光器到透镜的距离，同时保证良好的准直效果。因此设计中需要优化的参数有凹透镜前表面半径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。优化需要按照一定顺序依次进行，优先优化影响大的参数。

图4为本发明的非序列仿真气室前光斑分布图，其中(a)为位置空间光强分布图，(b)为角度空间光强分布图。位置空间光强分布图反映了光束的质量和均匀度，入射气室的光越均匀，越有利于气室内气体的均匀极化，从而提高整体性能。角度空间光强分布图可以看出光束的发散角，从而衡量准直效果是否满足要求。

以下说明本发明的一个具体实施例。此说明的目的在于更清晰地提供本发明的总体概念和使用步骤，而并非限制本发明的范围。本发明的保护范围应当以所附的权利要求所界定的范围为准。

微小型原子传感器光学系统的一个实例，采用半导体激光器，其光束近似为高斯光束，发散角(半高全宽)为15度。根据气室大小，需将光斑扩束到3mm直径，这就需要透镜的焦距：

首先对准直扩束部分进行设计，采用如图3所示的准直扩束光路，根据焦距可以在Zemax软件中设计初始参数如表1所示：

表1

表面	曲率半径	厚度	材料	口径
					物面	--	6.20	--	0.025
31	-7.00	0.40	SF11	2.5
					32	7.00	0.80	--	2.5
33	20.00	1.80	SF11	2.5
					34	-4.00	25	--	2.5

初始结构确定后，需要进行优化。优化函数主要考虑准直效果和光斑大小，定义如表2所示：

表2

操作数	Hx，Hy	Px，Py	目标	权值
					ANAC	(0，0)	(0.33，0)	0	0.87
ANAC	(0，0)	(0.71，0)	0	1.39
					ANAC	(0，0)	(0.94，0)	0	0.87
PARX	(1，0)	(1，0)	1.5	0.80
					PARY	(0，1)	(0，1)	1.5	0.80

通过分析赛德尔系数和参数逐个优化的结果，可知凹透镜后表面半径和凸透镜后表面半径对准直效果影响最大，其次是两透镜的厚度，最后是其他几个透镜表面半径与两透镜间距。因此优化分3步进行，优化的结果如表3所示：

表3

表面	曲率半径	厚度	材料	口径
					物面	--	6.20	--	0.025
31	-9.00	0.80	SF11	2.5
					32	6.00	0.90	--	2.5
33	38.00	1.50	SF11	2.5
					34	-3.80	25	--	2.5

光斑大小由2.80mm优化为2.92mm，发散角由3.36mrad优化为0.35mrad，优化结果满足系统要求。对优化后的透镜参数进行公差分析，根据通常的加工水平，设定表面半径和透镜厚度的误差为0.1mm；而元件安装的位置偏差设为0.2mm，角度偏差设为1°。分析结果表明，在此误差影响下光斑大小和发散角的值变化较小，公差容限满足要求。但透镜最后一个表面的半径误差影响相对较大，加工中需要着重控制该面精度。

而后进行设计的第二步，在序列模式中对整体光路进行建模，光路如图2所示。各元件间距对系统影响不大，主要根据机械结构尺寸确定。序列模式下分析整体光路的元件误差主要是分析误差对准直效果的影响，而准直扩束透镜以外的光学元件都是平面元件，对发散角基本没有影响，因此主要分析元件的加工和安装误差导致的探测器处光斑偏心。

设定探测器处的光斑偏心最大为0.1mm，据此对各元件的安装精度提出要求。以检测光路为例，从光源开始对关键器件进行逐个分析，用Zemax软件模拟不同的误差，观察光斑偏心值。表4给出了考虑原子气室处和探测器处光斑偏心误差限制时，各元件的倾斜与偏心误差最大允许值的仿真结果，据此可以控制加工和安装精度。

表4

最后进行设计的第三步，在非序列模式中对整体光路进行建模。与序列模式不同的是，非序列模式模拟实际光线的传播，便于光强和高斯光束的分析。首先验证高斯光束的准直效果和光束质量，从图4(b)中可以看到，光束发散角约0.2°，表明准直效果很好；从图4(a)中可以看到光束质量较好，但没有整形为平顶光，均匀性不够。因此在气室前加入一个光阑以改善均匀性。此时，设光源发出的光强为1.50mW，则到达气室的光强为1.28mW。

由于该原子传感器的直接输出信号为检测光路末端两个探测器的光强差，因此用到达两个探测器光强的差作为误差分析的衡量标准。首先通过调整探测器前的波片使得到达两个探测器的光强相等，此时均为0.526mW。而后计算各元件误差引起的光强差变化，根据通常的加工安装精度以及步骤(2)中提出的误差控制要求，设定误差值为倾斜2°或偏心0.3mm。分析结果列于表5，从表5中可以看出，激光器和准直扩束透镜的偏心误差、探测器前分光棱镜的倾斜误差对光强差影响较大，需要严格控制，有必要设计专门的装调工装；而其他元件的误差影响都在误差允许的范围内，表明系统公差满足设计要求。

表5

以上即微小型原子传感器的光学系统设计方法的具体实施例。根据上述步骤，可以类似地进行不同参数光学系统的设计，并根据误差分析结果进行后续加工、安装精度的控制。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

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，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。

4.根据权利要求3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)。

5.根据权利要求4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(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。

6.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。

7.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。