[发明专利]一种产生功率稳定的脉冲光系统的小型化设计方法

说明书

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。

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；