[发明专利]一种用于抽运激光系统光束整形的自由曲面透镜的优化设计方法

说明书

本发明提出了一种用于抽运激光系统光束整形的自由曲面透镜的优化设计方法，基于光束质量分析仪采集的数据和Tracepro软件表面光源生成器功能的综合运用，建立模拟仿真光源，使其无限接近抽运激光光源的真实特性，在实现抽运激光系统模拟仿真的同时，可避免后续对激光的偏振状态、光束整形系统(自由曲面透镜、准直透镜)模拟仿真和优化设计时引入的误差；同时综合使用Tracepro软件中的Scheme宏语言和优化引擎After‑scheme宏语言的功能，以优化变量(自由曲面透镜各控制点)为桥梁，建立优化通道，可实现对自由曲面透镜的自动优化设计，避免了模型导入导出的麻烦和复杂的计算过程。

技术领域

本发明专利涉及极弱磁探测领域，具体说是一种用于抽运激光系统光束整形的自由曲面透镜的优化设计方法，可实现对激光光束的高效均匀分配。

背景技术

基于Serf态原子超高灵敏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，通过检测原子自旋态提取角速度信息。在该系统中，抽运光光强分布的均匀性、光效率等参数会影响原子的极化效率，影响系统的灵敏度，因此研究高均匀性、高效率的抽运光整形系统，提高原子极化率是该装置核心问题之一。

目前，典型的激光光束整形方法有：衍射光学元件、非球面透镜组、双折射透镜组、微透镜阵列、液晶空间光调制器以及自由曲面光学系统等。且部分方法已有成熟的扩束整形系统的产品在售，但均是对于理想激光光源，本领域应用的诸多半导体激光器的光源均是不规则，因此需对其进行光束整形设计。而自由曲面透镜因其设计自由度较高，只使用单片透镜的情况下，即可实现均匀激光光束的整形设计，因此，具有系统结构简单、可同时实现高效率光输出和辐射照度均匀等优势。随着加工工艺的提升，特别是3D打印技术的迅速发展，该方法在激光整形方面将有着广泛的应用前景。但是，目前对于自由曲面透镜的设计均是采用计算、拟合、建模、仿真、优化等相结合的方法实现，过程复杂繁琐，避免不了对模型导入导出的麻烦；且抽运激光系统整形系统主要采用的是透镜组的方式，系统冗长，调试困难。因此，本专利提出一种抽运激光系统整形的自由曲面透镜的优化设计方法，避免了传统对自由曲面透镜设计时需计算和模型导入导出的复杂过程以及调试困难的情况，通过对Tracepro软件的优化引擎和Scheme宏语言的结合使用，即可实现对激光光束系统的高效均匀整形，同时通过对准直透镜的优化，给出抽运激光系统的最优化结构设计，该方法为非理想的激光光源的光束整形设计提供了新思路。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种实现激光整形的自由曲面透镜的化优化设计方法，实现对激光的高效均匀整形。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于抽运激光系统光束整形的自由曲面透镜的优化设计方法，具体步骤如下：

(1)采用光束质量分析仪对抽运激光进行测试，得到光斑的尺寸、形状、中心位置、方位角和功率强度分布信息，并基于Tracepro软件的Scheme宏语言和表面光源生成器功能，对激光光源进行模拟仿真；

(2)基于Tracepro软件的优化引擎(Interctive optimizer)功能导入设计好的自由曲面透镜平面图，并利用优化引擎中的Toolbox功能，对设计的自由曲面添加分割点(segment point)并将其设置为优化变量，给定优化范围，同时基于软件中的Optimizer功能，以照度均匀分布为优化目标，同时设置透镜材料，对自由曲面透镜进行第一步优化设计；

(3)对于第一步优化设计后均匀性大于80％的结果进行保存，导出自由曲面的离散点，并提取自由曲面的控制点，最后将提取的控制点拟合成二次B样条曲线的形式；