原子磁强计是一种利用碱金属原子作为传感元件的超高灵敏度磁场测量设备，它在科学研究中具有广泛的应用。在原子磁强计中，半导体激光器通常被用作抽运和探测激光源。然而，由于半导体激光器的结构特性，其在垂直和水平方向的发散角较大，导致激光束快速发散。这种发散度较大的激光束会影响原子磁强计的灵敏度，因此必须设计一个光束准直系统，以保证产生具有均匀分布的高斯分布光束，从而实现碱原子蒸汽的均匀极化和原子磁强计的高效率工作。
为了达到上述目的，文章提出了一种使用薄透镜和平凸棱镜组合的光束准直方法，该方法可以保证激光光点的尺寸大致恒定。其中，薄透镜被用来减小快轴方向上的发散角，并确保透射光平行。平凸棱镜对则用于在慢轴方向上扩展激光束，使得光束点近乎圆形。
文章首先基于几何光学原理，理论上分析了薄透镜和平凸棱镜对输入和输出光束剖面的关系。然后利用ZEMAX软件对该准直系统进行仿真模拟。最终设计并测试了光束准直系统。实验结果显示，激光束的尺寸大约为2×2平方厘米，且光束近似高斯分布，满足了原子磁强计的要求。
关键词包括：半导体激光器、准直、透镜、平凸棱镜。
在设计光束准直系统时，需要考虑的关键技术包括：
1. 半导体激光器的发散特性：半导体激光器在两个垂直方向上的发散角通常不同，且都相对较大，这导致光束在传播过程中很快发散。为了使光束保持较小的发散角并且能够在远距离传播中保持较小的光斑尺寸，需要设计有效的准直系统。
2. 准直方法：文中提到的准直方法是通过结合薄透镜和平凸棱镜对来实现。薄透镜专注于减少快轴方向的发散角，而平凸棱镜对则用于在慢轴方向上调整光束，以使得激光束的形状接近圆形。这要求在设计时需要精确计算透镜和平凸棱镜对的参数，以确保最终光束的质量。
3. 光束质量评估：由于原子磁强计对于入射光束的形状、尺寸以及分布都有较为严格的要求，因此在设计和测试过程中，需要对准直后的光束质量进行评估。在本研究中，准直后光束的高斯分布以及尺寸大小是衡量是否满足磁强计需求的标准。
4. 仿真与实验验证：在理论分析和初步设计之后，使用ZEMAX等光学设计软件进行仿真，可以帮助进一步优化准直系统的设计参数。仿真结果可以指导后续的实验操作。实际测试是验证设计是否成功的最终环节，它能够提供实验数据来确认准直系统是否达到了预期的效果。
本研究的意义不仅在于为原子磁强计提供了可靠的半导体激光器光束准直系统，也在于为其他需要高斯分布激光束的应用领域提供了新的设计思路和技术参考。此外，本研究对几何光学在激光准直领域的应用以及ZEMAX等光学设计软件的使用也提供了实践案例。
