本发明涉及一种微小型原子传感器光学系统设计方法。微小型原子传感器的光学系统包括激光器及其准直扩束部分、偏振控制部分、原子气室以及检测部分。该设计方法基于Zemax软件仿真和误差分析，包括以下步骤：利用序列模式对激光器准直扩束部分进行建模，并优化其准直效果和公差容限；利用序列模式对整体光学系统进行建模，并分析各光学元件的误差对准直效果的影响，对各光学元件的加工和安装提出精度要求；利用非序列模式对整体光路进行建模，分析误差对气室和探测器处光强大小和光强分布的影响，检验公差和光束质量是否满足传感器精度的要求。本发明仿真结果准确，为加工和安装精度提供了参考指标，大大方便了微小型原子传感器的设计。