CN111897127B - 一种用于抽运激光系统光束整形的自由曲面透镜的优化设计方法 - Google Patents

一种用于抽运激光系统光束整形的自由曲面透镜的优化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种用于抽运激光系统光束整形的自由曲面透镜的优化设计方法，基于光束质量分析仪采集的数据和Tracepro软件表面光源生成器功能的综合运用，建立模拟仿真光源，使其无限接近抽运激光光源的真实特性，在实现抽运激光系统模拟仿真的同时，可避免后续对激光的偏振状态、光束整形系统(自由曲面透镜、准直透镜)模拟仿真和优化设计时引入的误差；同时综合使用Tracepro软件中的Scheme宏语言和优化引擎After‑scheme宏语言的功能，以优化变量(自由曲面透镜各控制点)为桥梁，建立优化通道，可实现对自由曲面透镜的自动优化设计，避免了模型导入导出的麻烦和复杂的计算过程。

Description

一种用于抽运激光系统光束整形的自由曲面透镜的优化设计 方法
技术领域
本发明专利涉及极弱磁探测领域，具体说是一种用于抽运激光系统光束整形的自由曲面透镜的优化设计方法，可实现对激光光束的高效均匀分配。
背景技术
基于Serf态原子超高灵敏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，挑战磁场和灵敏度极限，使得人类获得认识世界的新工具。其主要利用抽运光系统极化原子，使原子自旋处于能敏感角速度的状态，在外界角速度作用下这些原子自旋状态会随之改变，通过检测原子自旋态提取角速度信息。在该系统中，抽运光光强分布的均匀性、光效率等参数会影响原子的极化效率，影响系统的灵敏度，因此研究高均匀性、高效率的抽运光整形系统，提高原子极化率是该装置核心问题之一。
目前，典型的激光光束整形方法有：衍射光学元件、非球面透镜组、双折射透镜组、微透镜阵列、液晶空间光调制器以及自由曲面光学系统等。且部分方法已有成熟的扩束整形系统的产品在售，但均是对于理想激光光源，本领域应用的诸多半导体激光器的光源均是不规则，因此需对其进行光束整形设计。而自由曲面透镜因其设计自由度较高，只使用单片透镜的情况下，即可实现均匀激光光束的整形设计，因此，具有系统结构简单、可同时实现高效率光输出和辐射照度均匀等优势。随着加工工艺的提升，特别是3D打印技术的迅速发展，该方法在激光整形方面将有着广泛的应用前景。但是，目前对于自由曲面透镜的设计均是采用计算、拟合、建模、仿真、优化等相结合的方法实现，过程复杂繁琐，避免不了对模型导入导出的麻烦；且抽运激光系统整形系统主要采用的是透镜组的方式，系统冗长，调试困难。因此，本专利提出一种抽运激光系统整形的自由曲面透镜的优化设计方法，避免了传统对自由曲面透镜设计时需计算和模型导入导出的复杂过程以及调试困难的情况，通过对Tracepro软件的优化引擎和Scheme宏语言的结合使用，即可实现对激光光束系统的高效均匀整形，同时通过对准直透镜的优化，给出抽运激光系统的最优化结构设计，该方法为非理想的激光光源的光束整形设计提供了新思路。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种实现激光整形的自由曲面透镜的化优化设计方法，实现对激光的高效均匀整形。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于抽运激光系统光束整形的自由曲面透镜的优化设计方法，具体步骤如下：
(1)采用光束质量分析仪对抽运激光进行测试，得到光斑的尺寸、形状、中心位置、方位角和功率强度分布信息，并基于Tracepro软件的Scheme宏语言和表面光源生成器功能，对激光光源进行模拟仿真；
(2)基于Tracepro软件的优化引擎(Interctive optimizer)功能导入设计好的自由曲面透镜平面图，并利用优化引擎中的Toolbox功能，对设计的自由曲面添加分割点(segment point)并将其设置为优化变量，给定优化范围，同时基于软件中的Optimizer功能，以照度均匀分布为优化目标，同时设置透镜材料，对自由曲面透镜进行第一步优化设计；
(3)对于第一步优化设计后均匀性大于80％的结果进行保存，导出自由曲面的离散点，并提取自由曲面的控制点，最后将提取的控制点拟合成二次B样条曲线的形式；
(4)基于Tracepro软件Scheme宏语言，编写自由曲面透镜的结构、材料、尺寸的Scheme程序，将自由曲面的控制点设置为变量，并将步骤(3)提取的控制点的值作为变量的初始值，同时编写抽运光路所需的光束分光棱镜，波片、优化目标面的尺寸、偏振特性、间距的程序；
(5)基于Tracepro软件中的优化引擎，同样以照度均匀分布为优化目标，在Optimizer中编写将自由曲面的控制点作为变量的After-scheme程序，以相同的优化变量，与Scheme宏语言程序建立起整个优化通道，实现自由曲面透镜的自动优化，对于均匀性低于90％对应的自由曲面部分，可减少优化变量，进行对应曲面的局部优化，最终实现对激光光束的均匀整形。
(6)准直透镜选用的是平凸透镜，将其放置在步骤(4)的目标面位置处并删除该目标面，准直透镜的优化，使用Tracepro软件中优化引擎After-scheme宏语言的功能以准直透镜曲率半径为桥梁，建立优化通道，实现对准直透镜的优化设计，以保证均匀整形后的光线经过准直透镜可平行出射至碱金属气室。
进一步地，步骤(1)中，非直接选择高斯光束作为理想光源对后续系统进行设计，而是首先采用光束质量分析仪对光斑的尺寸、形状、中心位置、方位角和功率强度分布信息进行测试和采集；其次，基于Tracepro软件表面光源生成器功能，将采集到的数据进行输入，运行获得模拟的激光光源；然后，旋转激光光源，调整光斑尺寸、方位角等参数，使其光斑与测试的光斑一致。
进一步地，步骤(2)中，自由曲面透镜平面图的面型根据应用所需进行设计，然后借助Tracepro软件的优化引擎功能实现优化。
进一步地，步骤(2)和所述步骤(5)中，为避免优化自由曲面出现阶跃的现象，优化变量的变化范围不超过0.1mm，并提取分割点(segment point)作为系统自动优化的初始数据。
进一步地，步骤(5)中，综合使用Tracepro软件中的Scheme宏语言和优化引擎After-scheme宏语言的功能，以优化变量(自由曲面透镜各控制点和准直透镜曲率半径)为桥梁，建立优化通道，可实现对自由曲面透镜和准直透镜的优化设计。
进一步地，步骤(5)中，抽运激光系统对均匀性高于90％的光斑和能量的大小均有所需求，在设置优化目标时，需以不同位置处的光照度分布曲线(至少6个)和能量利用率同时作为优化目标值。
进一步地，步骤(6)中，对准直镜的设计，选择平凸透镜透镜，准直优化后，选择中间均匀性高于90％的光束极化原子，摒弃周边的光斑。
与现有技术相比，本发明的方法具有如下优点：
1、本发明提出的一种适用于抽运激光系统光束整形的自由曲面透镜的优化设计方法，其的激光光源模拟仿真，可使模拟光源无限接近抽运激光光源的真实特性，在实现抽运激光系统模拟仿真的同时，避免后续光学系统(自由曲面透镜、准直透镜)设计时的误差。
2、本发明提出了一种适用于抽运激光系统光束整形的自由曲面透镜的优化设计方法，只使用单个透镜即可实现对光束的高效均匀整形，简化系统，使其可在很短的距离处实现抽运激光系统的大尺寸、高效率的均匀照明。
3、本发明提出的一种适用于抽运激光系统光束整形的自由曲面透镜的优化设计方法，其中两步优化方法，避免了传统设计方法计算、仿真、导入导出、优化等复杂的过程。
附图说明
图1为本发明优化设计方法流程图；
图2为控制点提取示意图；
图3为光束整形提取示意图；图中：A为自由曲面透镜，B为准直透镜。
图4为自由曲面透镜结构图；
图5为系统结构和模拟仿真图，(a)系统结构图、(b)光学模拟仿真系统图；图中：1-激光器、2-调节偏振态单元、3-光束整形系统、4-目标面(碱金属气室)
图6为优化后不同位置照度分布图；
图7为光偏振分析图。
具体实施方式
下面结合附图并根据流程图的操作顺序对本发明作进一步描述:
如图1所示，本发明提供的一种用于抽运激光系统光束整形的自由曲面透镜的优化设计方法，具体步骤如下：
(1)采用光束质量分析仪对抽运激光进行测试，得到光斑的尺寸、形状、中心位置、方位角和功率强度分布信息，并基于Tracepro软件的Scheme宏语言和表面光源生成器功能，对激光光源进行模拟仿真；本步骤中，非直接选择高斯光束作为理想光源对后续系统进行设计，而是首先采用光束质量分析仪对光斑的尺寸、形状、中心位置、方位角和功率强度分布信息进行测试和采集；其次，基于Tracepro软件表面光源生成器功能，将采集到的数据进行输入，运行获得模拟的激光光源；然后，旋转激光光源，调整光斑尺寸、方位角等参数，使其光斑与测试的光斑一致。
(2)基于Tracepro软件的优化引擎(Interctive optimizer)功能导入根据应用所需设计好的自由曲面透镜平面图，并利用优化引擎中的Toolbox功能，对设计的自由曲面添加分割点(segment point)并将其设置为优化变量，给定优化范围，优化变量的变化范围不超过0.1mm，并提取分割点(segment point)作为系统自动优化的初始数据，避免优化自由曲面出现阶跃的现象，同时基于软件中的Optimizer功能，以照度均匀分布为优化目标，同时设置透镜材料，对自由曲面透镜进行第一步优化设计；采用的优化方法是下山单纯形法，优化变量为自由曲面上的点，其内部是通过样条的方法对自由曲面上的点进行拟合。
(3)对于第一步优化设计后均匀性大于80％的结果进行保存，导出自由曲面的离散点，并提取自由曲面的控制点，最后将提取的控制点拟合成二次B样条曲线的形式；二次B样条比三次B样条曲线更加逼近于同一特征多边形，更易做局部优化，故首先选择用二次B样条曲线对提取的自由曲面离散点进行拟合，以便Scheme编程所需。拟合过程分两步，首先从离散点中，提取自由曲面的控制点，示意图如图2所示，选前两个数据点，连接两点作直线l1，间隔k个点再取两个数据点并作直线l2，取直线l1和l2的交点b1,同理依次取点b2,b3,…bm，在1l上取点b0，使得第一个数据点恰为线段b0,b1的中点，后面的以此类推；
其次，将控制点拟合成二次B样条的形式p(t)，即：
pn-1(t)＝0.5×(bn-1+bn+1-2bn)t2+(bn-bn-1)t+0.5×(bn-1+bn)
其中，0≤t≤1；pn(t)是待优化的二次曲线，pn-1(t)是p(t)上第n小段二次B样条曲线，1≤n≤l,l是二次B样条曲线的个数，为任意大于等于1的整数，bn-1，bn+1，bn是曲线pn-1(t)上的3个控制点。
最后，在Tracepro软件中编写自由曲面透镜的Scheme宏语言程序，并编写材料等属性，同时将控制点设置为优化变量，将上述提取的控制点作为初始值，以便后续优化迭代。
(4)基于Tracepro软件Scheme宏语言，编写自由曲面透镜的结构、材料、尺寸的Scheme程序，将自由曲面的控制点设置为变量，并将步骤(3)提取的控制点的值作为变量的初始值，同时编写抽运光路所需的光束分光棱镜、波片、优化目标面的尺寸、偏振特性、间距的程序；对偏振分光棱镜的模拟需提前在材料中添加多层交替镀膜的膜层材料，膜层材料为ZnS和MgF2两种材料，通过交替镀多层膜的方式，将其模拟成偏振分光棱镜的效果，最后需考虑实际应用所需，将各仪器间的间距设置为变量，设置好变化范围。
(5)基于Tracepro软件中的优化引擎，同样以照度均匀分布为优化目标，在Optimizer中编写将自由曲面的控制点作为变量的After-scheme程序结合Scheme宏语言程序，以优化变量(自由曲面透镜各控制点)为桥梁，建立起整个优化通道，实现自由曲面透镜的自动优化，对于均匀性低于90％对应的自由曲面部分，可减少优化变量，进行对应曲面的局部优化，最终实现对激光光束的均匀整形。抽运激光系统对均匀性高于90％的光斑和能量的大小均有所需求，在设置优化目标时，需以不同位置处的光照度分布曲线(至少6个)和能量利用率同时作为优化目标值。
(6)如图3所示，A为自由曲面透镜，B为准直透镜；准直透镜选用的是平凸透镜，将其放置在步骤(4)的目标面位置处并删除该目标面，对于准直透镜的优化设计时，使用Tracepro软件中优化引擎After-scheme宏语言的功能，以准直透镜曲率半径为桥梁，建立优化通道，实现对准直透镜的优化设计；对准直透镜的设计，选择平凸透镜透镜，准直优化后，选择中间均匀性高于90％的光束极化原子，摒弃周边的光斑。反向延长入射光束，与光轴的焦点被认为凸透镜的焦点，以保证均匀整形后的光线经过准直透镜可平行出射至碱金属气室。碱金属气室的位置处可在其上表面，中间和下表面各设置一个目标面，检测光束的准直性。
本发明一种具体应用实例如下：一种Serf原子抽运激光系统，选择优立光太公司的770nm波长的激光器作为光源，偏振分光棱镜尺寸为a＝b＝c＝25.4mm，1/4波片口径D＝25.4mm，自由曲面透镜和准直透镜的材料选择为BK7，原子气室为14mm碱金属气室。
(1)模拟的光斑为椭圆光斑，长轴3mm，短轴2.5mm；
(2)最终对两个自由曲面提取的控制点分别为4个；
(3)设计的自由曲面透镜结构如图4所示，面1和面2均为自由曲面，优化时建议分开优化，优化后尺寸约为10mm*4mm；
(4)设置优化目标时，分别以不同位置处的光照度分布曲线(6个)和能量利用率作为自由曲面透镜和准直透镜的目标值，基于此，实现对两个透镜的优化设计。如图5所示，图中(a)为光学系统结构图，(b)为光学模拟仿真系统图，激光器1、调节偏振态单元2、光束整形系统3和目标面(碱金属气室)4依次连接；其中准直透镜的位置，为方便观察，在其余位置设置全吸收，经设计，准直透镜尺寸约16mm*16mm；
(5)系统模拟仿真后，在不同位置处的照度分布如图6所示，均匀性的计算公式：
Figure GDA0003640174310000061
经计算，不同位置处的均匀性均大于90％，偏振分析如图7所示，均可实现椭圆偏振的状态。
综上所述，本发明基于光束质量分析仪采集的数据和Tracepro软件表面光源生成器功能的综合运用，建立模拟仿真光源，使其无限接近抽运激光光源的真实特性，在实现抽运激光系统模拟仿真的同时，避免后续光学系统(自由曲面透镜、准直透镜)设计时的误差；同时综合使用Tracepro软件中的Scheme宏语言和优化引擎After-scheme宏语言的功能，以优化变量(自由曲面透镜各控制点和准直透镜曲率半径)为桥梁，建立优化通道，可实现对自由曲面透镜控制点和准直透镜曲面半径的自动优化设计，避免了模型导入导出的麻烦。设计的自由曲面透镜，可在很短的距离处实现抽运激光系统的大尺寸、高效率的均匀照明。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于抽运激光系统光束整形的自由曲面透镜的优化设计方法，其特征在于：具体步骤如下：
(1) 采用光束质量分析仪对抽运激光进行测试，得到光斑的尺寸、形状、中心位置、方位角和功率强度分布信息，并基于Tracepro软件的Scheme宏语言和表面光源生成器功能，对激光光源进行模拟仿真；
(2) 基于Tracepro软件的优化引擎（Interctive optimizer）功能导入设计好的自由曲面透镜平面图，并利用优化引擎中的Toolbox功能，对设计的自由曲面添加分割点（segment point）并将其设置为优化变量，给定优化范围，同时基于软件中的Optimizer功能，以照度均匀分布为优化目标，同时设置透镜材料，对自由曲面透镜进行第一步优化设计；
(3) 对于第一步优化设计后均匀性大于80%的结果进行保存，导出自由曲面的离散点，并提取自由曲面的控制点，最后将提取的控制点拟合成二次B样条曲线的形式；
(4) 基于Tracepro软件Scheme宏语言，编写自由曲面透镜的结构、材料、尺寸的Scheme程序，将自由曲面的控制点设置为变量，并将步骤（3）提取的控制点的值作为变量的初始值，同时编写抽运光路所需的光束分光棱镜、波片、优化目标面的尺寸、偏振特性、间距的程序；
(5) 基于Tracepro软件中的优化引擎，同样以照度均匀分布为优化目标，在Optimizer中编写将自由曲面的控制点作为变量的After-scheme程序，以相同的优化变量自由曲面透镜各控制点，与Scheme宏语言程序建立起整个优化通道，实现自由曲面透镜的自动优化，对于均匀性低于90%对应的自由曲面部分，可减少优化变量，进行对应曲面的局部优化，最终实现对激光光束的均匀整形；
(6) 准直透镜选用的是平凸透镜，将其放置在步骤（4）的目标面位置处并删除该目标面，对于准直透镜的优化设计时，使用Tracepro软件中优化引擎After-scheme宏语言的功能，以准直透镜曲率半径为桥梁，建立优化通道，实现对准直透镜的优化设计，以保证均匀整形后的光线经过准直透镜可平行出射至碱金属气室；碱金属气室的位置处可在其上表面，中间和下表面各设置一个目标面，检测光束的准直性。
2.根据权利要求1所述的一种用于抽运激光系统光束整形的自由曲面透镜的优化设计方法，其特征在于：步骤（1）中，非直接选择高斯光束作为理想光源对后续系统进行设计，而是首先采用光束质量分析仪对光斑的尺寸、形状、中心位置、方位角和功率强度分布信息进行测试和采集；其次，基于Tracepro软件表面光源生成器功能，将采集到的数据进行输入，运行获得模拟的激光光源；然后，旋转激光光源，调整光斑尺寸、方位角，使其光斑与测试的光斑一致。
3.根据权利要求1所述的一种用于抽运激光系统光束整形的自由曲面透镜的优化设计方法，其特征在于：步骤（2）中，自由曲面透镜平面图的面型根据应用所需进行设计，然后借助Tracepro软件的优化引擎功能实现优化。
4.根据权利要求1所述的一种用于抽运激光系统光束整形的自由曲面透镜的优化设计方法，其特征在于：步骤（2）和步骤（5）中，为避免优化自由曲面出现阶跃的现象，优化变量的变化范围不超过0.1mm，并提取分割点（segment point）作为系统自动优化的初始数据。
5.根据权利要求1所述的一种用于抽运激光系统光束整形的自由曲面透镜的优化设计方法，其特征在于：步骤（5）中，抽运激光系统对均匀性高于90%的光斑和能量的大小均有所需求，在设置优化目标时，需以至少6个不同位置处的光照度分布曲线和能量利用率同时作为优化目标值。
6.根据权利要求1所述的一种用于抽运激光系统光束整形的自由曲面透镜的优化设计方法，其特征在于：步骤（6）中，对准直镜的设计，选择平凸透镜，准直优化后，选择中间均匀性高于90%的光束极化原子，摒弃周边的光斑。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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