CN114296245A - 一种拉曼光束整形装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光强和相位双重匀化的拉曼光束整形装置，由设置在光纤激光器出射光路上的准直镜、整形组、偏振组和扩束系统组成，整形组包括顺序连接的光阑和衍射光学芯片，衍射光学芯片具有一个实现强度匀化的入射面和一个实现相位匀化的出射面，入射面和出射面微纳结构中心对称设计，是由熔融石英作为基底材料采用激光灰度直写技术，制作形成厚度39.95～40.05mm的微纳双面单体结构或微纳四面双体结构，所述的微纳四面双体结构还包含两个间距为37.95～38.05mm的无结构平面；本发明可将高斯光束整形为特定空间强度分布和相位分布的匀化光束，不仅可满足系统高精度测量要求，而且整形光路组件体积小、集成度高。
Description
技术领域
本发明属于光束整形技术领域，具体涉及一种基于光强和相位双重匀化的拉曼光束整形装置。
背景技术
量子惯性传感器利用拉曼光操控原子实现物质波干涉测量。传统的拉曼光是高斯光束，不同半径区域光强不一样，原子在不同半径位置感受到的拉曼光强度和相位不同。同时原子团下落过程中不断扩散，原子团直径变大，感受到的拉曼光强度和相位也不同，也引入了系统误差，精度难以提高。
因此有必要对入射到真空腔体的拉曼光进行平顶光束整形，即对拉曼光的光强和相位进行光束整形，以减少拉曼光光强分布和相位分布不均匀对量子惯性传感器精度的影响。
量子惯性传感器的测量精度与拉曼光束的强度均匀度和相位均匀度紧密相关，而常规的方法和组件产生的激光束普遍为高斯型分布，无法直接满足精度提高需求，需对其进行整形匀化处理。同时，小型化、集成化、轻量化是量子惯性传感器向高性能发展的主流趋势。
然而，传统光学整形技术受限于非球面面形制约，往往需要复杂镜片组合和较大光路体积才能达到整形目的，而采用镀膜型高斯镜整形方法虽然光路简单，但高斯光束中间部分能量削弱、光束边缘部分无法利用等导致整形后光能利用率降低，需加大入射光功率使用，导致镀膜光学元件可靠性下降。
发明内容
本发明针对现有技术中的上述不足，提出一种基于光强和相位双重匀化的拉曼光束整形装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种拉曼光束整形装置，由设置在光纤激光器出射光路上的准直镜、整形组、偏振组和扩束系统组成，所述的整形组包括顺序连接的光阑和衍射光学芯片，所述的衍射光学芯片具有一个实现强度匀化的入射面和一个实现相位匀化的出射面，所述的入射面和出射面为中心对称微纳结构，是由熔融石英作为基底材料采用激光灰度直写形成厚度40±0.05mm的微纳结构；所述的偏振组为液晶延迟器或玻片，主要作用是偏振光的转换，本实施例中将线偏振光转为圆偏振光；光纤激光器出射高斯激光束，经过准直镜进行光束准直，光束继续传播至整形组，经过光阑起到光束边缘杂散光的限制，进入衍射光学芯片，通过入射面(前表面)实现强度匀化，通过出射面(后表面)实现相位匀化，经过偏振组进行偏振光转换，然后进入扩束系统进行光强和相位匀化后的光束扩束。
所述的一种拉曼光束整形装置，其微纳结构为微纳双面单体结构或微纳四面双体结构，所述的微纳四面双体结构还包含两个间距为37.95～38.05mm的无结构平面。
所述的一种拉曼光束整形装置，其扩束系统为双胶合透镜或者伽利略透镜组合均可，扩束口径根据所需情况而确定即可，在本实施例中扩束口径为35mm。
所述的一种拉曼光束整形装置，其入射面和出射面为圆形或方形等多边形，或者其他形状均可，根据实际需求而确定。
所述的一种拉曼光束整形装置，双面的微纳结构面积可根据光源的准直后直径来制作大小，本实施例左边入射面结构面积为5.8μm2～20mm2，右边出射面结构面积为3.8μm2～20mm2；面积可以根据需要增大制作，且两个面的微纳结构面积可以相等。
所述的一种拉曼光束整形装置，其光纤激光器采用780±0.5nm激光器。
所述的一种拉曼光束整形装置，其准直镜镀780±0.5nm的增透膜。
本发明的有益效果是：
1，本发明针对微纳米结构的设计，可实现任意的波前变换，因此只需要简单器件组成简短光路，即可将高斯光束整形为特定空间强度分布和相位分布的匀化光束，不仅可满足系统高精度测量要求，而且整形光路组件体积小、集成度高。
2，本发明整形技术具有可以实现能量利用率高，降低激光入射功率，结构简单，易于实现，可单独成为一个系统，为量子惯性传感器应用于高精度测量提供了可行的技术路线。
3，本发明衍射光学芯片的微纳结构属于中心对称结构，而且因衍射光学芯片结构与基材一体，器件可靠性高，且利于批量生产，可以节约成本。
附图说明
图1为本发明的拉曼光束整形原理图；
图2为本发明整形装置的组成示意图；
图3为本发明的衍射光学芯片设计原理；
图4为本发明实例系统光路设计图；
图5为本发明实例系统光路仿真图；
图6为本发明实例系统光路仿真中准直后的高斯光束仿真图；
图7为本发明实例系统光路仿真中的光强整形图；
图8为本发明实例系统光路仿真中的相位整形图；
图9为本发明实施例技术路线图；
图10为本发明实施例制作的衍射光学芯片实物图。
各附图标记为：1—光纤激光器，2—准直镜，3—整形组，4—偏振组，5—扩束系统。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
对于高斯光束变换成强度和相位都均匀的平顶光束，由于需要获得相位均匀性，因此无法采用传统的随机或者伪随机衍射元件，只通过相位迭代的方法实现，也无法通过传统的微透镜阵列匀化的方法实现，因为这些方法均会使光束被分割，同一位置会因多个子光束叠加而使相位被打乱，无法将相位重新调整为均匀的状态。
参照图2所示，本发明公开的一种拉曼光束整形装置，由设置在光纤激光器1，出射光路上的准直镜2、整形组3偏振组4以及扩束系统5组成，所述的整形组3包括顺序连接的光阑和衍射光学芯片，整形组3后方为接收系统，其中光阑和接收系统未在附图中体现，偏振组4为液晶延迟器或玻片，液晶延迟器或玻片的作用是偏振光的转换，本实施例中主要作用是将线偏振光转为圆偏振光(根据实际需要可以去掉，对光路无影响)，扩束系统5可以双胶合也可以是伽利略型扩束系统，作用是进行光强和相位匀化后光束口径的扩束，在本实施例中扩束直径达到35mm，也就是说可以根据实际需要进行扩束系统的设计，口径不受限制。
对于高斯光束变换成强度和相位都均匀的平顶光束，本发明拟采用衍射光学芯片来实现。由于需要获得相位均匀性，因此无法采用传统的随机或者伪随机衍射元件，只通过相位迭代的方法实现，也无法通过传统的微透镜阵列匀化的方法实现，因为这些方法均会使光束被分割，同一位置会因多个子光束叠加而使相位被打乱，无法将相位重新调整为均匀的状态。
如图3所示，所述的衍射光学芯片具有一个实现强度匀化的入射面和一个实现相位匀化的出射面，所述的入射面和出射面微纳结构中心对称设计，是由熔融石英作为基底材料采用激光灰度直写形成厚度40±0.05mm的微纳双面单体结构或微纳四面双体结构，所述的微纳四面双体结构还包含两个间距为38±0.05mm的无结构平面。
本实施例中，首先整形组3在其输入端入射光束为780±0.05nm的高斯激光束，然后光束经过准直镜2进行光束准直，光束继续传播至衍射光学芯片，第一个经过的面可实现强度匀化，第二个面实现相位匀化，从而达到所需光斑尺寸的目的。
本实施例中，所述的光纤激光器1采用780±0.05nm光纤激光器。
本实施例中，准直镜2镀780±0.05nm波长的增透膜。
本实施例中，光阑主要起到光束边缘杂散光的限制作用。
本实施例中，衍射光学芯片是采用激光灰度直写技术进行的连续面型的制作。
本实施例中，衍射光学芯片的基底材料为熔融石英(JGS1)。
本实施例中，接收系统在实例仿真中用接收屏代替。
本实施例中，所述的液晶延迟器可以用玻片代替，主要作用是将线偏振光转换为圆偏振光。
本实施例中，所述的扩束系统5为双胶合透镜或者伽利略透镜组合均可，扩束口径根据所需情况而确定即可，在本实施例中扩束口径为35mm。
本发明的主要是从理论和实验研究780±0.5nm高斯光束整形平顶光束的光强和相位匀化性问题。本发明的主要技术路线为：指标输入，然后通过理论建模和数理仿真，分别对衍射光学芯片进行设计、制作和测试等，然后在将设计好的衍射光学芯片放置在整个光路中，进行整体混合仿真设计，设计结构，在进行多次迭代优化，最终得到最优的指标目的。具体见图9和图10所示。
图中Z为衍射光学芯片与输出面之间的距离，衍射光学芯片对入射光进行光场相位调制后传播距离z，在输出面形成所需的光斑分布。通常在整形组3中调制复振幅的光场分布，衍射光学芯片的设计实际是通过合适的傅里叶迭代算法去寻找最优相位，使得输出面上产生的光斑与目标光斑接近一致，以达到将调制后光场分布改变成目标平面处光场分布的目的。
根据Fourier变换性质，对入射光束复振幅Uin(x,y)和经过相位调制衍射光学芯片整形匀化后出射的光束复振幅Uf(u,v)建立数学模型如下所示：
其中(x，y)表示近场坐标，(u,v)表示远场坐标；建立远场光强分布于近场调制相位的模型：
If(u,ν)＝|Uf(u,ν)|2
根据光强和相位关系，进而可以实现光强和相位的双重均匀化调制分布。
进一步的整形组3的设计如下。
图1为本发明系统原理图，其中，beamshaper里面集成了光阑和衍射光学芯片。并且对光强和相位进行了双重调制设计。其中，在光路中，进行了光阑的添加，主要是为了遮挡边缘光，会造成一部分能量损失，目的是为后面的扩束匀化效果做出贡献。利用能量守恒定律确定每一个位置处的光线出射角度，然后根据折射定律确定匀光面型上每一点的斜率，再迭代出整个面型，最后根据所建立的面型计算出相位调制深度，并转换成衍射光学芯片的微纳结构。
采用VirtualLab软件进行初步设计及分析，光源发出780±0.5nm激光束经过双胶合透镜准直后，入射到衍射光学芯片，将入射光束整形为平顶光束，达到光强和相位双重调制的目的，光路设计仿真图见图4所示。
根据能量守恒定律：入射前能量等于出射后能量，也就是高斯函数积分等于矩形函数积分。建立入射与出射光束之间的关系，在极坐标系下：Iin(r)为入射光光强，Iout(r)为出射光光强，r为任意光线的坐标。
其中，
根据入射和出射这对映射函数进行积分求解，即可求解出入射光线和出射光线之间的映射函数关系。
进一步的，整体系统仿真图见图5所示，光源参数为780±0.5nm光束，束腰半径为4.7μm，该参数下，激光为一发散光束，根据上述理论设计原理，首先需对该激光束进行准直，为了尽可能地获得较好的准直光束，同时考虑整个匀化组件的限制，采用平凸的短焦非球面透镜实现光束准直，准直后高斯光束的分布如图6所示。该光束经过准直后的光束直径为2.0392mm，光束发散角为0.02847°，此时光束的准直性满足上述匀化设计方法的要求。准直的激光光束经过该衍射光学芯片后，在设定目标强度匀化距离为35mm时，在目标距离下得到的光强分布如图7和相位分布如图8所示。
可以看出高斯光束为中心对称，得到的相位图也是中心对称的，光强的能量分布也是均匀的，符合需求。在去除边缘部分后，按UE＝(Imax-Imin)/(Imax+Imin)，强度均匀性误差为8.64％，按PV＝Pmax-Pmin，计算出在该口径内相位的峰峰值为0.1071λ。在能量效率方面，该口径占整个出光能量分布的比例为90.84％，未达100％是因为去除了光斑边缘衰减过渡区域。通过计算整个光路的效率，从源端到出射端的效率为83.17％，综合两个效率，将其相乘后，得到输出的匀光光场的能量效率为75.55％。因此，通过上述结果，在保证能量效率的前提下，得到的光强和相位匀化效果，为后续拉曼光整形提供了可靠保证。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种拉曼光束整形装置，其特征在于：由设置在光纤激光器（1）出射光路上的准直镜（2）、整形组（3）、偏振组（4）以及扩束系统（5）组成，所述的整形组（3）包括顺序连接的光阑和衍射光学芯片，所述的衍射光学芯片具有一个实现强度匀化的入射面和一个实现相位匀化的出射面，所述的入射面和出射面为中心对称微纳结构，是由熔融石英作为基底材料采用激光灰度直写形成厚度39.95～40.05mm的微纳结构，所述的偏振组（4）为液晶延迟器或玻片；光纤激光器（1）出射高斯激光束，经过准直镜（2）准直传播至整形组（3），经过光阑后进入衍射光学芯片，通过入射面实现强度匀化，通过出射面实现相位匀化，经过偏振组（4）进行偏振光转换，然后进入扩束系统（5）进行光强和相位匀化后的光束扩束。
2.根据权利要求1所述的一种拉曼光束整形装置，其特征在于，所述的微纳结构为微纳双面单体结构或微纳四面双体结构，所述的微纳四面双体结构还包含两个间距为37.95～38.05mm的无结构平面。
3.根据权利要求1或2所述的一种拉曼光束整形装置，其特征在于，所述的扩束系统（5）为双胶合透镜或者伽利略透镜，扩束口径为35mm。
4.根据权利要求3所述的一种拉曼光束整形装置，其特征在于，所述的入射面和出射面为圆形或多边形。
5.根据权利要求3所述的一种拉曼光束整形装置，其特征在于，所述入射面结构面积为5.8μm2～20mm2，出射面结构面积为3.8μm2～20mm2。
6.根据权利要求3所述的一种拉曼光束整形装置，其特征在于，所述的光纤激光器（1）采用780±0.5nm激光器。
7.根据权利要求6所述的一种拉曼光束整形装置，其特征在于，所述的准直镜（2）镀780±0.5nm的增透膜。
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