CN112432635A - 一种产生功率稳定的脉冲光系统的小型化设计方法 - Google Patents

一种产生功率稳定的脉冲光系统的小型化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种产生功率稳定的脉冲光系统的小型化设计方法，基于信号源、声光调制器、PID控制器及其驱动的数字信号和模拟信号的共同作用实现功率稳定的脉冲光输出；采用光束质量分析仪对光源进行测试，基于Tracepro软件的Scheme宏语言和表面光源生成器功能对光源进行建模仿真，实现对替代光源的建立；基于对非球面透镜和自由曲面聚焦透镜的设计，实现对一级衍射光和零级衍射光的分离，并对一级衍射光进行聚焦，使其入射至光电探测器。该方法可满足抽运激光系统和检测激光系统对脉冲光及其高稳光功率系统所需，小型化的设计为工程应用奠定了基础。本发明的方法可用于惯性测量装置、磁力仪、陀螺仪等极弱磁探测领域中及其他相关领域的脉冲光系统中。

Description

一种产生功率稳定的脉冲光系统的小型化设计方法
技术领域
本发明涉及极弱磁探测领域，尤其涉及一种基于serf原子测量装置中的抽运激光和检测激光系统，产生功率稳定的脉冲光系统的小型化设计方法。
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。其主要利用抽运激光系统极化原子，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，通过检测激光检测原子自旋态提取角速度信息。在该系统中，抽运激光和检测激光的光调制方式、激光功率的稳定性等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，因此设计合理的调制方式和稳定的脉冲光输出是该装置核心问题之一。
目前，抽运激光和检测激光的调制方式分为三种，以普林斯顿大学和北京航空航天大学为代表提出的非调制模式、普林斯顿大学为代表提出的正弦调制模式，以及以美国NIST为代表提出的方波调制模式。非调制模式，受外界环境影响较大，实测磁场数据重复性不高；正弦调制模式系统响应速率慢，适用于心脑磁等生物医学领域；方波调制(脉冲光)模式，磁场数据重复性高、系统响应频率高、适用于移动平台，目前尚未应用在惯性测量装置中。
目前，应用于激光调制和功率控制的方法主要包括内调制法、电光调制、声光调制等。与光源内调制方法相比，声光和电光调制方法可取得更稳定的功率信号。与电光调制方法相比，声光调制方法响应时间快、衍射效率高、功耗低。因此，本专利基于对声光调制器的应用，提出一种用于抽运和检测激光系统产生功率稳定的脉冲光系统设计与小型化装置设计方法。该方法可实现抽运激光和检测激光的时序脉冲光调制，通过PID控制器建立反馈回路，可实现功率的稳定输出；且为了实现脉冲光稳定调制系统的集成化，本专利通过光束质量分析仪采集的数据和Tracepro软件的建模仿真，在实现对零级和一级衍射光光路的优化设计基础上，给出了三种光束分离的方法和小型化结构设计，为后续的工程化应用和光束整形设计奠定基础。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种产生功率稳定的脉冲光系统的小型化设计方法，基于serf原子测量装置中的抽运激光和检测激光系统，实现抽运激光和检测激光的高稳定性输出。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种产生功率稳定的脉冲光系统的小型化设计方法，具体步骤如下：
(1)基于信号源，声光调制器及其驱动的数字信号接口，搭建并调试脉冲光产生系统；
(2)通过测试，给出声光调制器一级和零级衍射光分离所需最短的光路长度；
(3)利用光束质量分析仪测试经过声光调制器后衍射的一级和零级光斑的参数包括光斑形状、光束方位角、测试面的功率强度变化曲线；
(4)基于Tracepro软件Scheme宏语言对测试的光斑形状进行程序编写，同时基于表面光源编辑器功能对光束的方位角进行编辑，进而实现一级和零级衍射光源的建模仿真；并采用NCC(normalized cross correlation)比对统一位置处模拟仿真的光源和实际光源测试的照度分布曲线的一致性，直至NCC比对满足设计需求；
(5)建模后的光源，通过对非球面透镜的设计，零级和一级衍射光在最短距离处实现分离；
(6)通过对自由曲面聚焦透镜的设计，实现一级衍射光的聚焦，入射至光电探测器；
(7)将光电探测器探测到的光信号，输入至PID控制器之后将PID控制器输出的结果经声光调制器模拟信号，设计光功率稳定的反馈回路，实现功率的稳定输出。
进一步，步骤(1)中，对信号源、声光调制器及其驱动的控制均是时序控制，通过信号源产生方波调制信号，从数字接口输入至驱动，后输入至声光调制器，利用其一级衍射光随输入信号的开启和关断产生相应的变化，产生脉冲光。
进一步，步骤(3)中，方位角的测量，主要通过旋转光束质量分析仪，以获得不同极坐标角度的方位角；其次，基于光功率和光照度的关系，推导光照度的变化曲线。
进一步，步骤(4)中，采用NCC比对统一位置处模拟仿真的光源和实际测试的照度分布曲线的一致性，微调光斑尺寸和方位角大小、同时旋转光源与光轴的夹角，直至NCC比对大于98％；计算公式如下：
Figure BDA0002777738540000021
其中，x和y分别为待测面的横纵坐标值，I为实测值，
Figure BDA0002777738540000022
为实测I的平均值，T为模拟值，
Figure BDA0002777738540000023
为实测T的平均值，M和N分别为x和y方向的采样值。
进一步，步骤(5)中，通过对非球面透镜的设计利用Tracepro软件对非球面透镜进行调试设计实现，非球面透镜的的两面均为非球面，设光轴为z轴，即非球面的对称轴，坐标原点取在顶点。非球面的标准方程为：
Figure BDA0002777738540000031
其中，Z(r)为镜面的凹陷度；r为镜面的孔径半径；c为曲率半径的倒数；A2i为r的各阶系数；k为曲面的圆锥系数；基于Tracepro软件对非球面透镜进行建模仿真，对参数进行调试，以在最短距离处实现一级和零级衍射光的分离。
进一步，光电探测器选用尺寸小于4mm的型号。
进一步，步骤(6)中，基于Tracepro软件的优化引擎(Interctive optimizer)功能，将非球面透镜的结构导入，利用Toolbox功能，对导入的非球面添加分割点(segmentpoint)，以光电探测器光信号入口的尺寸为优化目标面，以光通量最大为优化目标，建立优化通道，对自由曲面聚焦透镜进行优化设计。
进一步，通过光电探测器探测到光信号转化为电信号，输入至PID控制器进行稳功率设计，输出至声光调制器的驱动，调制光功率，实现反馈控制。本发明的有益效果：
1、本发明提出了一种产生功率稳定的脉冲光系统的小型化设计方法，通过对声光调制器模拟通道和数字通道的组合作用，可实现脉冲光功率的高稳定性控制。
2、本发明设计的非球面透镜可以在较短距离处实现一级和零级衍射光的分离，同时设计的自由曲面聚焦透镜，以目前最小尺寸的光电探测器的输入孔径为优化目标，对一级衍射光进行聚焦，为小型化设计提供可能。
3、本发明提出的光源替代法，可实现对不规则、非高斯光束系统的模拟和仿真，利于后续光束整形设计。
附图说明
图1为本发明的非球面透镜结构图。
图2为本发明的自由曲面聚焦透镜结构图。
图3为本发明的脉冲光及稳功率系统示意图。
图4为本发明实施例中的系统稳定前后功率的变化；(a)为系统稳定前，(b)为系统稳定后。
图5为本发明实施例中的光斑图；(a)为衍射前测试的光斑；(b)为衍射后测试的光斑图；(c)为模拟仿真的一级光斑图。
图6为本发明实施例不同距离处的NCC比对值；
图7为本发明实施例聚焦效果图；
图8为本发明小型化系统设计图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。
本发明提供的一种产生功率稳定的脉冲光系统的小型化设计方法；具体步骤如下：
(1)基于信号源，声光调制器及其驱动的数字信号接口，搭建并调试脉冲光产生系统；其中对信号源、声光调制器及其驱动的控制均是时序控制，通过信号源产生方波调制信号，从数字接口输入至驱动，后输入至声光调制器，利用其一级衍射光随输入信号的开启和关断产生相应的变化，产生脉冲光。
(2)通过测试，给出声光调制器一级和零级衍射光分离所需最短的光路长度，视光斑尺寸而定；为避免杂散光对一级衍射光质量的影响，建议间距d＞3mm。
(3)利用光束质量分析仪测试经过声光调制器后衍射的一级和零级光斑的参数包括光斑形状、光束方位角、测试面的功率强度变化曲线；方位角的测量，主要通过旋转光束质量分析仪，以获得不同极坐标角度的方位角；其次，基于光功率和光照度的关系，推导光照度的变化曲线。
(4)基于Tracepro软件Scheme宏语言对测试的光斑形状进行程序编写，同时基于表面光源编辑器功能对光束的方位角进行编辑，进而实现一级和零级衍射光源的建模仿真；并采用NCC(normalized cross correlation)比对统一位置处模拟仿真的光源和实际光源测试的照度分布曲线的一致性，微调光斑尺寸和方位角大小、同时旋转光源与光轴的夹角，直至NCC比对满足设计需求；一般要求大于98％；计算公式如下：
Figure BDA0002777738540000041
其中，x和y分别为待测面的横纵坐标值，I为实测值，
Figure BDA0002777738540000042
为实测I的平均值，T为模拟值，
Figure BDA0002777738540000043
为实测T的平均值，M和N分别为x和y方向的采样值。
(5)建模后的光源，通过对非球面透镜的结构设计，零级和一级衍射光在最短距离处实现分离；通过对非球面透镜的设计利用Tracepro软件对非球面透镜进行调试设计实现，非球面透镜的的两面均为非球面，如图1所示，面1和面2均为非球面，设光轴为z轴，即非球面的对称轴，坐标原点取在顶点。非球面的标准方程为：
Figure BDA0002777738540000044
其中，Z(r)为镜面的凹陷度；r为镜面的孔径半径；c为曲率半径的倒数；A2i为r的各阶系数；k为曲面的圆锥系数；基于Tracepro软件对非球面透镜进行建模仿真，对参数进行调试，以在最短距离处实现一级和零级衍射光的分离。
(6)通过对自由曲面聚焦透镜的设计，实现一级衍射光的聚焦，入射至光电探测器；光电探测器选用尺寸小于4mm的型号。对自由曲面聚焦透镜的设计具体为：如图2所示，其中表面a和表面b均是非球面，基于Tracepro软件的优化引擎(Interctive optimizer)功能，将非球面透镜的结构导入，利用Toolbox功能，对导入的非球面添加分割点(segmentpoint)，以光电探测器光信号入口的尺寸为优化目标面，以光通量最大为优化目标，建立优化通道，对自由曲面聚焦透镜进行优化设计。
(7)通过光电探测器探测到光信号转化为电信号，输入至PID控制器进行稳功率设计，之后将PID控制器输出的结果经声光调制器模拟信号，调制光功率，实现反馈控制。通过设计光功率稳定的反馈回路，实现功率的稳定输出。功率稳定性S的定义为：
Figure BDA0002777738540000051
Pmax和Pmin分别为输出功率的最大值和最小值，
Figure BDA0002777738540000052
为输出功率的平均值。
本发明的一个具体实例如下：
本发明选择优光科技公司的770nm波长的激光器作为光源，声光调制器和驱动均为Gooch&Housego公司的3080-125型号，偏振分光棱镜尺寸为a＝b＝c＝25.4mm，1/4波片口径D＝25.4mm，脉冲光及稳功率系统如图3所示，基于步骤(1)搭建的功率稳定系统，经测试，系统功率稳定前后的变化如图4所示，计算可得稳定性分别为1％和0.05％。
基于步骤(2)测试的一级和零级衍射光分离的最短长度约为80mm.
基于步骤(3)和(4)测试和模拟的一级衍射光如图5所示，其中(a)为衍射前测试的光斑，(b)为衍射后测试的光斑图，(c)为模拟仿真的一级光斑图。不同位置处的NCC比对如图6所示，NCC值均大于98％。
基于步骤(5)、(6)和(7)，光电探测器选择索雷博的DET025A/M型号，采集光信号的孔径为3.2mm，经自由曲面优化后在直径3mm目标面内的一级衍射光的能量利用率为84.684％，如图7所示。
小型化设计尺寸分别为，声光调制器的尺寸为26mm×50mm，模拟的光源距离非球面透镜20mm(考虑到安装的可操作性，还可以更短)，非球面透镜孔径10mm，厚度6mm，距离自由曲面聚焦透镜20cm，厚度9mm，自由曲面聚焦透镜孔径20mm，距离光电探测器距离30mm，光电探测器厚度20.3mm，壁厚2mm，则结构的总尺寸115.3mm×55mm×40mm，根据应用需要，可以在内部蛇者反射镜，使长度缩短，宽度略微增加。
本发明提出的一种产生功率稳定的脉冲光系统的小型化设计方法。首先，基于声光调制器数字信号，驱动、信号源搭建并调试脉冲光产生装置；其次，通过测试，给出声光调制器一级和零级衍射光分离所需光路的最短长度；第三，利用光束质量分析仪测试经过声光调制器后的光斑，基于Tracepro软件的表面光源生成器对其进行建模；第四，建模后的光源，对其非球面透镜和自由曲面聚焦透镜进行设计，实现零级和一级衍射光的分离，以及一级衍射光的汇聚；最后，基于PID控制器、光电探测器、声光调制器模拟信号，构建光功率稳定设计的反馈回路，实现功率的稳定输出。方法可满足抽运激光系统和检测激光系统对脉冲光及其高稳光功率系统所需，小型化的设计为工程应用奠定了基础。本发明的方法可用于惯性测量装置、磁力仪、陀螺仪等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。
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 (8)

1.一种产生功率稳定的脉冲光系统的小型化设计方法，其特征在于：具体步骤如下：
(1)基于信号源，声光调制器及其驱动的数字信号接口，搭建并调试脉冲光产生系统；
(2)通过测试，给出声光调制器一级和零级衍射光分离所需最短的光路长度；
(3)利用光束质量分析仪测试经过声光调制器后衍射的一级和零级光斑的参数包括光斑形状、光束方位角、测试面的功率强度变化曲线；
(4)基于Tracepro软件Scheme宏语言对测试的光斑形状进行程序编写，同时基于表面光源编辑器功能对光束的方位角进行编辑，进而实现一级和零级衍射光源的建模仿真；并采用NCC(normalized cross correlation)比对统一位置处模拟仿真的光源和实际光源测试的照度分布曲线的一致性，直至NCC比对满足设计需求；
(5)建模后的光源，通过对非球面透镜的设计，零级和一级衍射光在最短距离处实现分离；
(6)通过对自由曲面聚焦透镜的设计，实现一级衍射光的聚焦，入射至光电探测器；
(7)将光电探测器探测到的光信号，输入至PID控制器之后将PID控制器输出的结果经声光调制器模拟信号，设计光功率稳定的反馈回路，实现功率的稳定输出。
2.根据权利要求1所述的一种产生功率稳定的脉冲光系统的小型化设计方法，其特征在于：步骤(1)中，对信号源、声光调制器及其驱动的控制均是时序控制，通过信号源产生方波调制信号，从数字接口输入至驱动，后输入至声光调制器，利用其一级衍射光随输入信号的开启和关断产生相应的变化，产生脉冲光。
3.根据权利要求1所述的一种产生功率稳定的脉冲光系统的小型化设计方法，其特征在于：步骤(3)中，方位角的测量，主要通过旋转光束质量分析仪，以获得不同极坐标角度的方位角；其次，基于光功率和光照度的关系，推导光照度的变化曲线。
4.根据权利要求1所述的一种产生功率稳定的脉冲光系统的小型化设计方法，其特征在于：步骤(4)中，采用NCC比对统一位置处模拟仿真的光源和实际测试的照度分布曲线的一致性，微调光斑尺寸和方位角大小、同时旋转光源与光轴的夹角，直至NCC比对大于98％；计算公式如下：
Figure FDA0002777738530000011
其中，x和y分别为待测面的横纵坐标值，I为实测值，
Figure FDA0002777738530000012
为实测I的平均值，T为模拟值，
Figure FDA0002777738530000021
为实测T的平均值，M和N分别为x和y方向的采样值。
5.根据权利要求1所述的一种产生功率稳定的脉冲光系统的小型化设计方法，其特征在于：步骤(5)中，通过对非球面透镜的设计利用Tracepro软件对非球面透镜进行调试设计实现，非球面透镜的的两面均为非球面，设光轴为z轴，即非球面的对称轴，坐标原点取在顶点。非球面的标准方程为：
Figure FDA0002777738530000022
其中，Z(r)为镜面的凹陷度；r为镜面的孔径半径；c为曲率半径的倒数；A2i为r的各阶系数；k为曲面的圆锥系数；基于Tracepro软件对非球面透镜进行建模仿真，对参数进行调试，以在最短距离处实现一级和零级衍射光的分离。
6.根据权利要求1所述的一种产生功率稳定的脉冲光系统的小型化设计方法，其特征在于：光电探测器选用尺寸小于4mm的型号。
7.根据权利要求1所述的一种产生功率稳定的脉冲光系统的小型化设计方法，其特征在于：步骤(6)中，基于Tracepro软件的优化引擎(Interctive optimizer)功能，将非球面透镜的结构导入，利用Toolbox功能，对导入的非球面添加分割点(segment point)，以光电探测器光信号入口的尺寸为优化目标面，以光通量最大为优化目标，建立优化通道，对自由曲面聚焦透镜进行优化设计。
8.根据权利要求1所述的一种产生功率稳定的脉冲光系统的小型化设计方法，其特征在于：通过光电探测器探测到光信号转化为电信号，输入至PID控制器进行稳功率设计，输出至声光调制器的驱动，调制光功率，实现反馈控制。
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