CN112363316A - 一种用于球形气室抽运激光系统光束整形的设计方法 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

一种用于球形气室抽运激光系统光束整形的设计方法
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。
所述步骤一中，对碱金属气室进行折射率和厚度测试实验时，入射光束调为准直激光，测试时，激光、气室、光束质量分析仪均固定在的滑轨上，保证光束、光路的准直性，减小测试引入的误差。光束质量分析仪测试可获得P3…P8的值，如图1所示，通过拟合，可获得x和y的关系，即：
y=ax+b
a和b为常数，可通过最小二乘法拟合获得，如下所示
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中n为测试的光斑半径的数量。同时，基于圆的方程有：
x2+y2=1
根据上述两式，可求点P2的坐标值，P1的值可根据测试的光斑尺寸获的。
所述步骤二中，基于Tracepro软件，模拟入射准直光源，调制碱金属气室折射率和厚度，以获取真实的折射率和厚度值，保证模拟光的出射位置坐标与拟合的坐标一致。且Tracepro软件调试获取气室折射率和厚度时，采用遮光板遮挡光源的大部分光，只保留最边缘1°范围的光，以便于精确确认边界，保证模拟的光线经球形气室折射后与气室交点的位置坐标与步骤(a)中计算的交点坐标一致。
所述步骤三中，为了使光线经过气室后准直传播，将入射面的半个气室当做薄透镜，根据几何光学的知识，如果物方和像方折射率n=n’=1，则有
Figure 3964DEST_PATH_IMAGE002
Figure DEST_PATH_IMAGE003
根据上式，已求得薄透镜折射率
Figure 717842DEST_PATH_IMAGE004
、气室半径r和厚度
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，即可求出透镜的焦距。
假设D1为自由曲面透镜的出光孔径，D2为气室的直径，f为计算透镜焦距，d为自由曲面透镜至及碱金属气室的距离，如图2所示，根据几何关系，有如下关系：
Figure 841787DEST_PATH_IMAGE006
由上式可计算自由曲面透镜孔径D1。
所述步骤四中，基于Tracepro软件优化引擎功能，设计面型，按照准直光线入射设计自由曲面面型，实现光线输出孔径为D1，作为初始结构，焦距小的选择发散角大的透镜，面型如图3(a)所示，焦距大的选择发散角小的，面型如图3(b)所示。其中面型上所有的控制点均设置为变量。
所述步骤五中，均匀性的计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
其中E max 是目标面上的最大值，E min 是目标面上的最小值。
基于上述设计的面型，在Tracepro软件中进行全局和局部优化设计，全局优化则是自由曲面上全部的点被优化，局部优化是个别点被优化，直至符合要求为止
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
1、本发明提出通过对球形气室的参数进行精确测试和计算，可实现对球形气室的精确建模，提供了一种快速获取气室折射率和厚度的方法；
2、本发明提出的将球形气室当做薄透镜，以使从焦点位置发出的光束入射至碱金属球形气室时可准直传播，在均匀极化气室的同时，还可提高检测信号的灵敏度；
3、本发明提出的自由曲面透镜的整形设计方法，为后续应用于对不同尺寸气室进行极化时的激光扩束和整形设计奠定基础。
附图说明
图1 球形气室折射率和厚度获取示意图；
图2 自由曲面透镜孔径计算示意图；
图3 自由曲面透镜设计示意图；
图4 测试的不同位置处的光斑尺；
图5 拟合不同位置光斑尺寸的线形图；
图6 14mm气室适用的自由曲面透镜结构图；
图7 模拟仿真的照度分布图。
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。
(a)采用光束质量分析仪在多位置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，计算经过球形气室后的折射光线与气室的交点；
(b)基于Tracepro软件，在激光准直入射的前提下，调试气室折射率和厚度大小使得模拟的光线经球形气室折射后与气室交点的位置坐标与步骤(1)计算的交点坐标一致；
(c)基于几何光学和光的折反射定律，计算气室焦距；
(d)基于三角几何的关系，计算自由曲面透镜的孔径；
(e)基于Tracepro软件优化引擎功能，按照计算的孔径、设计自由曲面透镜的初始结构；
(f)基于上述五个步骤，在Tracepro软件中对系统进行建模，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。
一种Serf原子惯性测量装置的抽运激光系统。选择瓦科光电公司的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= 25.4 mm，气室为直径14mm的球形气室。
基于步骤(a)测试的不同位置处的气室光斑尺寸如图4所示，由内到外，分别表示准直光源、距离光源66mm, 70mm, 75mm, 80mm, 90mm, 100mm, 110mm, 120mm, 130mm,140mm,150mm,160mm,170mm,180mm,190mm,200mm,210mm, 220mm, 230mm,240mm,250mm多个距离处测试的光斑尺寸，对光斑尺寸进行拟合，如图5所示，计算常数a和b的值分别为0.005087和 0.829，交点P2的横纵坐标分别为x2=6.94643，y2=0.8643。
基于步骤(b)，在Tracepro软件中对气室的折射率和厚度进行调试，获得折射率为1.476 ，厚度约0.165mm。
基于步骤(c)和(d)计算的焦距f 和自由曲面透镜孔径 D1 的值分别为609.18mm和3.552743mm。
基于步骤(e)，设计的自由曲面透镜面型如图6所示。
基于步骤(f)，对自由曲面透镜进行优化设计，模拟的照度分布如图7所示，经计算均匀性大于90%。
为验证方法的适用性，按照上述调试的折射率和壁厚分别对20mm，25mm，30mm，35mm，40mm，50mm的气室尺寸进行计算和仿真设计，结果如表1所示，模拟仿真的均匀性均大于90%。
表1其他尺寸气室计算和仿真的结果
Figure DEST_PATH_IMAGE009
综上所述，本专利提出了一种用于球形气室抽运激光系统光束整形的设计方法，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，为后续应用于对不同尺寸气室进行极化时的激光扩束和整形设计奠定基础，本发明方法可满足抽运激光系统和检测激光系统对光束整形设计方法所需，可用于惯性测量装置、磁强计、陀螺仪等装置，为惯性测量装置抽运激光系统的集成化和小型化设计奠定基础。

Claims (6)

1.一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。
2.根据权利要求1所述的用于球形气室抽运激光系统光束整形的设计方法，其特征在于，所述步骤一中的入射光束和步骤二中的模拟光线选择为准直激光。
3.根据权利要求1所述的用于球形气室抽运激光系统光束整形的设计方法，其特征在于，所述步骤二使用Tracepro软件模拟激光光源，设置场角分布为垂直于发光表面，调试球形气室的折射率和厚度，模拟的光线经球形气室折射后与气室交点的位置坐标与计算的交点坐标一致。
4.根据权利要求1所述的用于球形气室抽运激光系统光束整形的设计方法，其特征在于，所述Tracepro软件调试获取气室折射率和厚度时，采用遮光板遮挡光源的大部分光，只保留最边缘1°范围的光，模拟的光线经球形气室折射后与气室交点的位置坐标与计算的交点坐标高度一致。
5.根据权利要求1所述的用于球形气室抽运激光系统光束整形的设计方法，其特征在于，将所述球形气室近似为薄透镜，以计算透镜焦距，进而计算自由曲面透镜的孔径。
6.根据权利要求1所述的用于球形气室抽运激光系统光束整形的设计方法，其特征在于，借助所述Tracepro软件优化引擎功能，将入射光线设置为准直、通过观察光线出射方向判断和选择适用于极化不同尺寸气室的光束整形透镜。
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