[發明專利]一種微小型原子傳感器光學系統設計方法

有效

• 申請號: 201810017827.1
• 申請日: 2018-01-09
• 公開（公告）號: CN107942511B
• 公開（公告）日: 2019-10-29
• 發明（設計）人: 周斌權;房建成;賈雨棽;陳琳琳;吳文峰;雷冠群
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;顧煒

本發明涉及一種微小型原子傳感器光學系統設計方法。微小型原子傳感器的光學系統包括激光器及其準直擴束部分、偏振控制部分、原子氣室以及檢測部分。該設計方法基于Zemax軟件仿真和誤差分析，包括以下步驟：利用序列模式對激光器準直擴束部分進行建模，并優化其準直效果和公差容限；利用序列模式對整體光學系統進行建模，并分析各光學元件的誤差對準直效果的影響，對各光學元件的加工和安裝提出精度要求；利用非序列模式對整體光路進行建模，分析誤差對氣室和探測器處光強大小和光強分布的影響，檢驗公差和光束質量是否滿足傳感器精度的要求。本發明仿真結果準確，為加工和安裝精度提供了參考指標，大大方便了微小型原子傳感器的設計。

技術領域

本發明涉及原子傳感器領域，具體涉及一種微小型原子傳感器光學系統設計方法，該方法仿真結果準確，為加工和安裝精度提供了參考指標，大大方便了微小型原子傳感器的設計。

背景技術

近年來，隨著物理學的飛速發展、冷原子、量子光學等理論的突破以及激光、量子操控等技術的進步，以單個原子或原子系綜作為敏感介質的傳感器逐漸受到關注和重視。在時間、慣性、磁場等方面均已出現了高精度、高靈敏度的原子傳感器，部分已經實現了工程應用，給相關領域帶來了技術變革。同時，微機電領域的突破和微加工技術的進步，使得小型化、低成本成為各種傳感器件發展的重要趨勢，原子傳感器也不例外。國內外很多單位都在進行微小型原子傳感器的研究，有些單位已研制出芯片原子鐘、芯片原子磁強計或MEMS原子陀螺儀等微小型原子傳感器樣機；但總體而言，微小型原子傳感器的研究還未形成理論體系，小型化過程中仍然存在很多技術難題亟待突破，例如很多原子傳感器都需要采用光學手段檢測，光路的對準精度對傳感器性能影響很大，但體積的減小會使得光路難以調節。

為減小光路調節難度，可以在設計時對光學系統進行仿真，確定系統參數，縮小調節范圍。針對微小型原子傳感器的光學系統設計方法還未見專門研究。傳統的光學設計方法分為成像與非成像兩類，其中基于成像的光學設計方法主要考慮像差，基于非成像的光學設計方法主要考慮強度分布。而原子傳感器需要檢測到達探測器的光強，因此在其光學系統設計中，既需要得到準直效果良好的光束，又需要考慮各元件對光強分布的影響；同時為了方便小型化光路的裝調，還需要對誤差的影響進行量化分析與嚴格控制。因此，有必要研究一種專門的設計方法，結合成像與非成像兩類設計方法的特點，并考慮各元件加工和安裝誤差的影響，以對微小型原子傳感器的光學系統進行更精確的仿真與設計。

發明內容

本發明的目的是：克服現有技術的不足，提供一種專門對微小型原子傳感器的光學系統進行設計的方法，能夠在考慮誤差影響的基礎上進行準確的仿真與設計，從而為加工和安裝精度提供參考，方便微小型原子傳感器的設計。

本發明的技術方案是：一種微小型原子傳感器光學系統設計方法，具體包括以下三個步驟：

步驟(1)利用序列模式對激光器準直擴束部分進行建模，并優化其準直效果和公差容限；

步驟(2)利用序列模式對整體光學系統進行建模，并分析各光學元件的誤差對準直效果的影響，對各光學元件的加工和安裝提出精度要求；

步驟(3)利用非序列模式對整體光路進行建模，分析誤差對氣室和探測器處光強大小和光強分布的影響，檢驗公差和光束質量是否滿足傳感器精度的要求。

其中，所述微小型原子傳感器光學系統包括激光器及其準直擴束部分、偏振控制部分、原子氣室以及檢測部分，其中激光器及其準直擴束部分作為光源，提供尺寸合適、準直良好的光束；偏振控制部分在準直擴束透鏡和原子氣室之間，利用偏振分束棱鏡和波片控制光強和偏振態，使得光強合理的圓偏振光即抽運光或線偏振光即檢測光進入原子氣室；原子氣室是核心敏感部件，內部的極化氣體作為敏感介質，會使檢測光的偏振面發生變化；檢測部分通過差分檢測的方法來檢測偏振面的變化。

其中，所述微小型原子傳感器光學系統，其光源采用半導體激光器，準直擴束部分采用一個凹透鏡和一個凸透鏡組合成的膠合透鏡組。