CN115933207A - 一种基于自由曲面全反射的原子传感器光学系统 - Google Patents

一种基于自由曲面全反射的原子传感器光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于自由曲面全反射的原子传感器光学系统，克服传统光路结构由多个光学元件组成带来不足，设计自由曲面透镜作为单一元件完成激光光束的准直、扩束和反射，实现光路结构简化，提升系统稳定性，有利于减小光路中的光功率衰减以及抑制光学器件可能带来的波动。

Description

一种基于自由曲面全反射的原子传感器光学系统
技术领域
本发明涉及原子传感器光学系统设计技术领域，特别是一种基于自由曲面全反射的原子传感器光学系统，用于小型化核磁共振陀螺惯性测量装置激光光束整形。
背景技术
核磁共振陀螺仪(Nuclear magnetic resonance gyroscope，NMRG)作为一种原子传感器，集合了光、电、磁、热等多种类的核心器部件，随着芯片化原子传感器的应用需求，其具有高精度、小型化、低成本的发展趋势。特别地，对于核磁共振陀螺仪小型化这一关键技术，一方面要求核心器件微小型化且保证性能不退化，另一方面要求模块化各个模组以提升系统稳定性，降低装调难度，适用于小型化封装。
其中光路模块是小型化核磁共振陀螺实现原子极化和激光检测的关键组成部分，因此光路模块的小型化、集成化程度是影响原子传感器体积减小的重要影响因素，同时这也为光学器件的选用、光路结构的设计提出更高的要求。
目前小型化核磁共振陀螺样机的光路组成往往包括激光器、准直扩束透镜、反射镜、偏振器件、光电探测器等。
其中，激光器提供原子极化和信号检测的光源，光路模块从作用机理上可以分为抽运光路和检测光路。抽运光路极化碱金属原子，碱金属原子再与惰性原子核发生自旋交换，检测光路完成惰性原子核在磁场中的拉莫尔进动频率与载体转动角速度的检测。由于未经整形的激光具有一定的发散角，需要通过准直扩束等方式获得一定光斑大小的平行光，以保证一定的原子极化率和极化均匀性，从而抑制核磁共振陀螺误差，提升零偏稳定性。
根据激光器与原子气室相对位置的不同，光路主要分为两种形式，直通导入式和反射导入式。现有光路中抽运光路的激光经过准直扩束一体化封装透镜后再经过四分之一波片，完成光束的圆偏振化后入射到气室极化原子；检测光路的激光经过准直扩束一体化封装透镜后，通过反射镜折转光路再进入气室用于检测。
要想实现光路模块的小型化和集成，需要简化光路结构以及集成光路元件，同时这也有助于减小光路中的光功率衰减以及抑制光学器件可能带来的波动。
自由曲面具有相当大的自由度和灵活度，采用自由曲面作为透镜或者反射面的表面，将会大大提高系统性能，达到减小光路体积、折叠光路、改变光路走向等目的。因此，基于对光路模块小型化、集成化的需求，以自由曲面作为透镜或者反射面的表面，设计原子传感器光学系统，通过单一光学元件实现激光光束的扩束、准直和反射，减小原子传感器装调难度，简化光路结构，减少光学器件的数量以减小光功率损耗和抑制光波动。
发明内容
在芯片化原子传感器的应用需求下，本发明针对现有小型化核磁共振陀螺光路结构对其体积的限制和装调上带来的不便，提供一种基于自由曲面全反射的原子传感器光学系统，克服传统光路结构由多个光学元件组成带来不足，实现光路结构简化，提升系统稳定性，有利于减小光路中的光功率衰减以及抑制光学器件可能带来的波动。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于自由曲面全反射的原子传感器光学系统，其特征在于，包括对激光光束进行准直、扩束和反射的单一器件自由曲面透镜，所述自由曲面透镜具有作为激光光束输入面的面型为柱面的第一面，具有作为激光光束反射面的面型为抛物面的第二面，和具有作为激光光束输出面的面型为平面的第三面，所述第三面形成透镜体上侧面，所述第一面形成透镜体左侧面，所述左侧面的底边通过所述第二面连接所述上侧面的右边。
所述激光光束来自激光器，所述激光器的出射光发散角使得激光光束在所述第一面形成第一光斑，所述第一光斑在所述第二面形成比所述第一光斑面积更大的第二光斑，所述第二光斑反射到所述第三面形成达到目标光斑尺寸的平行出射光束，所述平行出射光束垂直于所述第三面。
所述第一面和第三面均设置有增透膜，所述第三面的增透膜上设置有二分之一波片。
所述第三面的上方设置有气室，所述第三面的出射光束通过所述气室的激光光束入射面进入所述气室。
所述激光光束的光源发射点位于所述柱面与所述抛物面的对称轴之间，所述柱面的中心轴与所述抛物面的对称轴重合。
设抛物面焦准距为P，抛物面对称轴为竖轴Y轴，横轴为X轴，纵轴为Z轴，对称轴与抛物面的交点为原点O，则所述抛物面满足x2+z2＝2Py；在XOY平面内光轴与Y轴的交点为(0，P/2)，光轴与抛物线的交点为(P，P/2)。
使用光学设计方法，模拟激光出射光经过自由曲面透镜的光路以确定所述自由曲面透镜的参数。
设定经过自由曲面透镜全反射出射后的光斑半径、光束发散角以及出射光功率衰减率作为优化目标，调整激光器与自由曲面透镜的距离，优化自由曲面透镜的第一面柱面和第二面抛物面的曲率半径，使得所模拟的光线经过自由曲面透镜三个面之后的光束达到目标光斑大小，且保证一定的准直性和光功率大小。
本发明的技术效果如下：本发明一种基于自由曲面全反射的原子传感器光学系统，采用自由曲面透镜作为单一光学器件完成激光光束的准直、扩束和反射，减少了光学元件数量，降低了光路的复杂性，有助于减小光路中的光功率衰减以及抑制光学器件带来的波动。同时单一元件的使用简化了设备安装难度，其中自由曲面透镜出射面与二分之一波片进行胶合，有助于光路构建和装调，提高了系统稳定性，为精简光路提供了一种新方案。
本发明具有以下特点：(1)本发明方案采用自由曲面透镜作为单一光学器件对激光光束进行准直、扩束和反射，自由曲面透镜设计具有高度灵活性，可以在单一元件的基础上完成激光光束的整形，对于减少小型化核磁共振陀螺光路体积、简化光路结构具有明显优势。(2)本发明方案有效地减少了光学元件数量，降低了光路构建和装调难度，提高了系统稳定性。(3)本发明方案可以有助于减小光路中的光功率衰减以及抑制光学器件带来的波动。
附图说明
图1是实施本发明一种基于自由曲面全反射的原子传感器光学系统结构示意图。
图2是图1中自由曲面透镜的结构示意图。图2中原点O为抛物面对称轴与抛物面的交点，抛物面对称轴即y轴，
图3是图1中自由曲面透镜模型示意图。
图4是基于自由曲面全反射的光路模型示意图。
附图标记列示如下：1-激光器；2-光轴；3-气室；4-自由曲面透镜；5-增透膜；6-第二面(位于右下侧，面型为抛物面，激光光束反射面)；7-第一面(位于左侧，面型为柱面，激光光束输入面)；8-第三面(位于上侧，面型为平面，激光光束输出面)；9-1/2波片或二分之一波片；(0，P/2)-抛物面焦点；(P，P/2)-光轴与抛物线交点坐标；P-抛物面焦准距。
具体实施方式
下面结合附图(图1-图4)和实施例对本发明进行说明。
图1是实施本发明一种基于自由曲面全反射的原子传感器光学系统结构示意图。图2是图1中自由曲面透镜的结构示意图。图3是图1中自由曲面透镜模型示意图。图4是基于自由曲面全反射的光路模型示意图。参考图1至图4所示，一种基于自由曲面全反射的原子传感器光学系统，包括对激光光束进行准直、扩束和反射的单一器件自由曲面透镜4，所述自由曲面透镜4具有作为激光光束输入面的面型为柱面的第一面7，具有作为激光光束反射面的面型为抛物面的第二面6，和具有作为激光光束输出面的面型为平面的第三面8，所述第三面8形成透镜体上侧面，所述第一面7形成透镜体左侧面，所述左侧面的底边通过所述第二面6连接所述上侧面的右边。
所述激光光束来自激光器1，所述激光器1的出射光发散角使得激光光束在所述第一面7形成第一光斑，所述第一光斑在所述第二面6形成比所述第一光斑面积更大的第二光斑，所述第二光斑反射到所述第三面8形成达到目标光斑尺寸的平行出射光束，所述平行出射光束垂直于所述第三面8。所述第一面7和第三面8均设置有增透膜5，所述第三面8的增透膜5上设置有二分之一波片9。
所述第三面8的上方设置有气室3，所述第三面8的出射光束通过所述气室3的激光光束入射面进入所述气室3。所述激光光束的光源发射点位于所述柱面与所述抛物面的对称轴之间，所述柱面的中心轴与所述抛物面的对称轴重合。
设抛物面焦准距为P，抛物面对称轴为竖轴Y轴，横轴为X轴，纵轴为Z轴，对称轴与抛物面的交点为原点O，则所述抛物面满足x2+z2＝2Py；在XOY平面内光轴与Y轴的交点为(0，P/2)，光轴与抛物线的交点为(P，P/2)。使用光学设计方法，模拟激光出射光经过自由曲面透镜的光路以确定所述自由曲面透镜的参数。设定经过自由曲面透镜全反射出射后的光斑半径、光束发散角以及出射光功率衰减率作为优化目标，调整激光器与自由曲面透镜的距离，优化自由曲面透镜的第一面柱面和第二面抛物面的曲率半径，使得所模拟的光线经过自由曲面透镜三个面之后的光束达到目标光斑大小，且保证一定的准直性和光功率大小。
本发明提供了一种基于自由曲面全反射的原子传感器光学系统，包括一个激光器、一个自由曲面透镜和一个二分之一波片，组成原子气室检测光路。其中，自由曲面透镜包括，面型为柱面的第一面7(或S1)，面型为抛物面的第二面6(或S2)，以及面型为平面的第三面8(或S3)。激光光束经过一段距离的传播之后依次经过自由曲面透镜的第一面、第二面和第三面，形成达到目标半径的平行出射光束。自由曲面透镜的第一面和第三面均镀有增透膜。参见附图1。
确定所使用激光器出射光的发散角，根据传感器设计的检测要求，确定激光光束达到原子气室表面的所需的目标光斑尺寸以及目标光功率。
使激光器工作在小型化核磁共振陀螺检测所需的工作电流和工作温度，假设出射光发散角的大小为θ，达到气室表面的目标光斑半径为r。使用离轴抛物面作为自由曲面透镜中激光全反射发生面即第二面的面型，在包含光轴的垂直平面内考虑激光在空气-透镜材料中的传播情况。
自由曲面透镜选用材料折射率假设为n1,空气折射率为n0，激光光束光轴相对于自由曲面透镜第一面S1垂直入射，激光光束在透镜第一面发生一定的汇聚，根据目标光斑尺寸，设计在已知激光出射光发散角情况下获得目标光斑尺寸所需的抛物面焦准距P，设计全反射表面。
设光线在自由曲面透镜第一面S1的入射角为θ0，折射角为θ1，在透镜第二面S2的入射角为θ2，折射角为θ3。
以抛物面对称轴为Y轴，对称轴与抛物面的交点为原点，如附图2建立坐标系。
在包含光轴在内的垂直平面内，激光光束最边缘光线与光轴夹角为发散角的一半，即
Figure BDA0003848586030000051
根据斯涅尔折射定律，
n0sinθ0＝n1sinθ1   (1)
计算出在透镜第一面的出射角θ1为，
Figure BDA0003848586030000052
抛物面方程可以表示为：
x2+z2＝2Py   (3)
假设激光光轴所在直线经过抛物面的焦点(0，P/2)且垂直于抛物线对称轴，则光轴光线与抛物线的交点坐标为(P，P/2)，反射后光线平行于抛物线对称轴出射。
在XOY平面内，光束的上下边缘光线的路径光程为：
Figure BDA0003848586030000053
Figure BDA0003848586030000054
即
Figure BDA0003848586030000055
Figure BDA0003848586030000056
两条直线与抛物线x2＝2Py求交点(x11，y11)和(x22，y22)，
Figure BDA0003848586030000057
Figure BDA0003848586030000058
出射的光斑直径为:
|x11-x22|＝2Ptanθ1   (10)
要求出射的光斑直径达目标光斑尺寸2r,即要求|x11-x22|＝2r,所需的抛物面焦准距P为：
Figure BDA0003848586030000061
在自由曲面透镜第二面处，要求出射光为纵向平行出射，即出射光的斜率
Figure BDA0003848586030000062
为0，(x11，y11)至(x22，y22)段的抛物线段的斜率
Figure BDA0003848586030000063
范围为
Figure BDA0003848586030000064
相应法线的斜率为
Figure BDA0003848586030000065
范围为
Figure BDA0003848586030000066
故在自由曲面透镜第二面处入射角θ2的范围为
Figure BDA0003848586030000067
根据斯涅尔定律式可知，光线由光密介质入射至光疏介质时可以产生全反射，即θ3＝90°，此时入射临界角θc需要满足以下公式：
n1sinθc＝n0sinθ3   (12)
则有：
Figure BDA0003848586030000068
即要求自由曲面透镜第二面出光线的入射角θ2≥θc。
为了保证全部光线可以满足上述的全反射条件，自由曲面透镜第一面优选使用柱面面型，且第一面柱面与离轴抛物面采用同一旋转对称轴，作为灵活保证光线可以全反射的调节方式。
按照设计的抛物面焦准距绘制自由曲面透镜模型。参见附图3。
采用光学设计方法，模拟激光出射光经过自由曲面透镜的光路。矩形探测器监测激光在透镜第一面前、第二面后以及第三面后的光斑质量，其中使用两个具有一定纵向距离的矩形探测器监测出射光的光斑质量。参见附图4。
设定经过自由曲面透镜全反射出射后的光斑半径、光束发散角以及出射光功率衰减率作为优化目标，调整激光器与自由曲面透镜的距离，优化自由曲面透镜的第一面柱面S1和第二面抛物面S2的曲率半径，使得所模拟的光线经过自由曲面透镜三个面之后的光束达到目标光斑大小，且保证一定的准直性和光功率大小。
确定使用激光器出射光的发散角，确定激光光束达到原子气室表面的所需的目标光斑尺寸以及目标光功率。
使用离轴抛物面作为自由曲面透镜中激光全反射发生面即第二面的面型，在包含光轴的垂直平面内考虑激光在空气-透镜材料中的传播情况，初步考虑这一平面内自由曲面透镜第一面的表面曲率为0，激光光束在透镜第一面发生一定的聚焦，然后在第二面抛物面处发生全反射，根据目标光斑尺寸，设计在已知激光出射光发散角情况下获得目标光斑尺寸所需的抛物面焦准距。
为了保证所有光线可以满足全反射条件，自由曲面透镜第一面使用柱面面型，且第一面柱面与离轴抛物面采用同一旋转对称轴，作为灵活保证光线可以全反射的调节方式，按照设计的抛物面焦准距绘制自由曲面透镜模型。
使用光学设计方法，模拟激光出射光经过自由曲面透镜的光路。
设定经过自由曲面透镜全反射出射后的光斑半径、光束发散角以及出射光功率衰减率作为优化目标，调整激光器与自由曲面透镜的距离，优化自由曲面透镜的第一面柱面S1和第二面抛物面S2的曲率半径，使得所模拟的光线经过自由曲面透镜三个面之后的光束达到目标光斑大小，且保证一定的准直性和光功率大小；
优化自由曲面透镜第一面和第三面镀上增透膜，并且在第三面表面胶合二分之一波片，调整激光的偏振方向，获得所需的检测光光束。
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。在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于自由曲面全反射的原子传感器光学系统，其特征在于，包括对激光光束进行准直、扩束和反射的单一器件自由曲面透镜，所述自由曲面透镜具有作为激光光束输入面的面型为柱面的第一面，具有作为激光光束反射面的面型为抛物面的第二面，和具有作为激光光束输出面的面型为平面的第三面，所述第三面形成透镜体上侧面，所述第一面形成透镜体左侧面，所述左侧面的底边通过所述第二面连接所述上侧面的右边。
2.根据权利要求1所述的基于自由曲面全反射的原子传感器光学系统，其特征在于，所述激光光束来自激光器，所述激光器的出射光发散角使得激光光束在所述第一面形成第一光斑，所述第一光斑在所述第二面形成比所述第一光斑面积更大的第二光斑，所述第二光斑反射到所述第三面形成达到目标光斑尺寸的平行出射光束，所述平行出射光束垂直于所述第三面。
3.根据权利要求1所述的基于自由曲面全反射的原子传感器光学系统，其特征在于，所述第一面和第三面均设置有增透膜，所述第三面的增透膜上设置有二分之一波片。
4.根据权利要求1所述的基于自由曲面全反射的原子传感器光学系统，其特征在于，所述第三面的上方设置有气室，所述第三面的出射光束通过所述气室的激光光束入射面进入所述气室。
5.根据权利要求1所述的基于自由曲面全反射的原子传感器光学系统，其特征在于，所述激光光束的光源发射点位于所述柱面与所述抛物面的对称轴之间，所述柱面的中心轴与所述抛物面的对称轴重合。
6.根据权利要求1所述的基于自由曲面全反射的原子传感器光学系统，其特征在于，设抛物面焦准距为P，抛物面对称轴为竖轴Y轴，横轴为X轴，纵轴为Z轴，对称轴与抛物面的交点为原点O，则所述抛物面满足x2+z2＝2Py；在XOY平面内光轴与Y轴的交点为(0，P/2)，光轴与抛物线的交点为(P，P/2)。
7.根据权利要求1所述的基于自由曲面全反射的原子传感器光学系统，其特征在于，使用光学设计方法，模拟激光出射光经过自由曲面透镜的光路以确定所述自由曲面透镜的参数。
8.根据权利要求1所述的基于自由曲面全反射的原子传感器光学系统，其特征在于，设定经过自由曲面透镜全反射出射后的光斑半径、光束发散角以及出射光功率衰减率作为优化目标，调整激光器与自由曲面透镜的距离，优化自由曲面透镜的第一面柱面和第二面抛物面的曲率半径，使得所模拟的光线经过自由曲面透镜三个面之后的光束达到目标光斑大小，且保证一定的准直性和光功率大小。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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