本發(fā)明屬于激光
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種用于激光諧振腔的智能化設(shè)計(jì)新方法。
背景技術(shù)：
：激光諧振腔參數(shù)影響到激光器的穩(wěn)定性以及腔內(nèi)不同位置處弦切面與弧矢面內(nèi)的光斑大小，因此諧振腔參數(shù)的選取對(duì)激光器的運(yùn)行有直接而重要的影響。對(duì)于簡(jiǎn)單的兩鏡激光腔，由于其參數(shù)較少，設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單。而在科研以及工業(yè)應(yīng)用實(shí)際中，隨著需求的多樣性和復(fù)雜性，激光諧振腔的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，腔鏡數(shù)目較多，腔參數(shù)也隨之增加。具體計(jì)算和設(shè)計(jì)諧振腔時(shí)，人們一般會(huì)參考前人的腔型結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行試探性改動(dòng)，以期獲得所需要的激光諧振腔結(jié)構(gòu)。當(dāng)需要改動(dòng)的參數(shù)較多時(shí)，靠人工尋找一組滿足人們希望的諧振腔參數(shù)變得非常困難。因此,研究適合計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的激光諧振腔設(shè)計(jì)方法具有切實(shí)的應(yīng)用價(jià)值。近年來(lái),一種智能優(yōu)化算法—粒子群算法(particleswarmoptimization,簡(jiǎn)稱pso)越來(lái)越受到學(xué)者的關(guān)注。粒子群算法擺脫了對(duì)初始結(jié)構(gòu)的依賴，并且是一種全局優(yōu)化算法，具有收斂速度快、容易編程實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn),能夠有效地解決復(fù)雜的優(yōu)化問(wèn)題,在函數(shù)優(yōu)化、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練、圖解處理、模式識(shí)別等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而到目前為止，還沒有把粒子群算法引入到激光諧振腔的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，因此，把激光諧振腔的設(shè)計(jì)與粒子群優(yōu)化算法結(jié)合起來(lái)，使激光諧振腔的設(shè)計(jì)更具智能化和程序化具有重要的實(shí)際意義。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明采用粒子群算法進(jìn)行激光諧振腔優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立合理的諧振腔評(píng)價(jià)函數(shù)，將此評(píng)價(jià)函數(shù)作為粒子群優(yōu)化算法中的適應(yīng)度函數(shù)，把諧振腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)與粒子群算法中適應(yīng)度函數(shù)聯(lián)系起來(lái)，提出了用粒子群算法設(shè)計(jì)激光諧振腔的新方法，并且編程實(shí)現(xiàn)了這種設(shè)計(jì)方法，使整形系統(tǒng)的設(shè)計(jì)程序化、智能化。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是采用如下方法步驟：1.將待優(yōu)化的諧振腔參數(shù)，包括腔鏡反射面的曲率半徑(m為待優(yōu)化腔鏡個(gè)數(shù))，相鄰光學(xué)元件距離(n為待優(yōu)化距離參數(shù)個(gè)數(shù))，以及腔鏡折疊角度(q為待優(yōu)化折疊角度個(gè)數(shù))的組合作為粒子群算法中每一個(gè)粒子的位置矢量；2.對(duì)于駐波腔，根據(jù)傳輸矩陣法計(jì)算諧振腔內(nèi)各點(diǎn)在弦切面和弧矢面內(nèi)的往返矩陣和，對(duì)于行波腔，根據(jù)傳輸矩陣法計(jì)算諧振腔內(nèi)各點(diǎn)在弦切面和弧矢面內(nèi)的單程矩陣和，然后計(jì)算諧振腔在弦切面和弧矢面內(nèi)的穩(wěn)定性判據(jù)因子和、激光晶體中心處的光斑半徑和、輸出鏡處的光斑半徑和；3.根據(jù)諧振腔穩(wěn)定性判據(jù)和光斑大小目標(biāo)值，確定諧振腔的的評(píng)價(jià)函數(shù)f：其中，和表示弦切面內(nèi)晶體中心處和輸出腔鏡處光斑大小的目標(biāo)值；和表示弧矢面內(nèi)晶體中心處和輸出腔鏡處光斑大小的目標(biāo)值；4.評(píng)價(jià)函數(shù)f與諧振腔具體結(jié)構(gòu)參數(shù)之間存在確定的函數(shù)關(guān)系，把評(píng)價(jià)函數(shù)f作為粒子群算法中的適應(yīng)度函數(shù)，對(duì)其進(jìn)行極小值操作，可以得到使適應(yīng)度函數(shù)極小的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，這就是要設(shè)計(jì)的諧振腔參數(shù)。所述步驟2包括下述步驟：(1)根據(jù)矩陣光學(xué)，曲率半徑為r、光線折疊角度為θ的腔鏡在弦切面內(nèi)的反射矩陣為，在弧矢面內(nèi)的反射矩陣為，從空氣中進(jìn)入折射率為n的激光晶體的折射矩陣為，從折射率為n的激光晶體進(jìn)入空氣的折射矩陣為，光線經(jīng)過(guò)距離的傳輸矩陣為，在諧振腔的弧矢面和弦切面內(nèi)，對(duì)于駐波腔，以激光晶體中心為起始點(diǎn)，按光線往返傳輸順序依次寫出各個(gè)矩陣并取其點(diǎn)乘，矩陣點(diǎn)乘結(jié)果為和，以輸出腔鏡為起始點(diǎn)，按光線往返傳輸順序依次寫出各個(gè)矩陣并取其點(diǎn)乘，矩陣點(diǎn)乘結(jié)果為和;(2)對(duì)于行波腔，以激光晶體中心為起始點(diǎn)，按光線單程傳輸順序依次寫出各個(gè)矩陣并取其點(diǎn)乘，矩陣點(diǎn)乘結(jié)果為和，以輸出腔鏡為起始點(diǎn)，按光線單程傳輸順序依次寫出各個(gè)矩陣并取其點(diǎn)乘，矩陣點(diǎn)乘結(jié)果為和;(3)計(jì)算弦切面和弧矢面內(nèi)的穩(wěn)定性判據(jù)因子，分別為和；(4)計(jì)算晶體中心處在弦切面和弧矢面內(nèi)的光斑半徑大小，分別為和，計(jì)算輸出腔鏡處在弦切面和弧矢面內(nèi)的光斑半徑大小，分別為和。本發(fā)明的有益效果相比傳統(tǒng)的人工改變腔參數(shù)不斷試探的激光諧振腔設(shè)計(jì)方法，本發(fā)明方法不用參考前人提供的初始參數(shù)，它依靠粒子群優(yōu)化程序確定諧振腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)，非常適合利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行高效率的智能化設(shè)計(jì)，因此推廣該方法對(duì)激光諧振腔的設(shè)計(jì)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。本發(fā)明中的方法是通過(guò)計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)的，完全可以自動(dòng)尋找到最佳組合的諧振腔結(jié)構(gòu)參數(shù)組合,具有不依賴初始結(jié)構(gòu)、快捷、方便、智能化等優(yōu)點(diǎn)，在激光諧振腔設(shè)計(jì)領(lǐng)域尤其是全固體激光腔設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明附圖說(shuō)明：圖1：五鏡鎖模駐波腔示意圖圖2：適應(yīng)度函數(shù)隨粒子群迭代次數(shù)的變化(實(shí)施例1)圖3.優(yōu)化后鎖模諧振腔內(nèi)腔模半徑分布圖4：四鏡光參量振蕩行波腔示意圖圖5.適應(yīng)度函數(shù)隨粒子群迭代次數(shù)的變化(實(shí)施例2)圖6：優(yōu)化后四鏡行波腔內(nèi)的腔模半徑分布具體實(shí)施方式：實(shí)施例1：待設(shè)計(jì)的五鏡鎖模駐波腔結(jié)構(gòu)如圖1所示。該諧振腔包含5個(gè)鏡片，腔參數(shù)有：五個(gè)鏡片的曲率半徑，激光晶體長(zhǎng)度，腔鏡之間、腔鏡與晶體之間的距離，以及腔鏡之間折疊角等。則所述利用粒子群方法的諧振腔設(shè)計(jì)包含步驟如下：1.根據(jù)實(shí)際情況，可以事先確定的參數(shù)有：，原因是m1作為輸出鏡，如果是平面鏡，則鏡面處恰為激光光束的光腰，雙色鏡m3采用平面不會(huì)對(duì)泵浦光產(chǎn)生另外的發(fā)散或會(huì)聚影響，而半導(dǎo)體可飽和吸收鏡sesam(即m5)本身是平的，另外，三個(gè)折疊角，這是考慮到晶體夾具尺寸以及腔鏡尺寸大小，方便實(shí)際光路搭建；2.合理選擇待優(yōu)化的參數(shù)范圍。將參數(shù)這7個(gè)變量作為粒子群算法中每一粒子位置矢量的分量，則粒子群優(yōu)化算法中每一粒子位置矢量的維數(shù)是7；合理選擇每一參數(shù)的取值范圍，如表1所示：表1五鏡駐波腔7參數(shù)的搜索范圍(單位均為mm)r2r4l1l21l22l3l4range[50,2000][50,2000][100,1000][100,1000][10,50][100,1000][100,1000]3.計(jì)算諧振腔內(nèi)弧矢面內(nèi)和弦切面內(nèi)的傳輸矩陣。以腔鏡m1作為計(jì)算起始點(diǎn)。以腔鏡m5處的往返矩陣為例說(shuō)明計(jì)算過(guò)程：上面兩式中各矩陣的物理意義和具體表示如表2所示：表2.實(shí)施例1中的各矩陣物理意義及其表示矩陣物理意義具體表達(dá)式腔鏡m2在弦切面的反射矩陣腔鏡m2在弧矢面的反射矩陣腔鏡m4在弦切面的反射矩陣腔鏡m4在弧矢面的反射矩陣段的傳輸矩陣從空氣進(jìn)入激光晶體的折射矩陣從激光晶體進(jìn)入空氣的折射矩陣激光晶體半程傳輸矩陣激光晶體熱焦距矩陣另外的傳輸矩陣與完全類似，在表2中沒有重復(fù)列出。由于腔鏡m1、m3、m5均為平面，其反射矩陣均為，因此在往返矩陣計(jì)算過(guò)程中略去。表示晶體熱焦距，其數(shù)值根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，本實(shí)施例中取值為200mm。以腔鏡m5(sesam處)處為例，計(jì)算該處弦切面內(nèi)和弧矢面內(nèi)的光斑大小：，5.本實(shí)施例中，適應(yīng)度函數(shù)f選取如下：以優(yōu)化的粒子個(gè)數(shù)30個(gè)、優(yōu)化迭代次數(shù)5000次為例，實(shí)施粒子群優(yōu)化設(shè)計(jì)，適應(yīng)度函數(shù)值隨迭代次數(shù)的變化如圖2所示。優(yōu)化后得到的諧振腔參數(shù)如表3所示，這就是要設(shè)計(jì)的五鏡駐波鎖模諧振腔參數(shù)。表3優(yōu)化后的五鏡駐波腔7參數(shù)(單位均為mm)r2r4l1l21l22l3l4value194.8433.510317844.5656.9293.16.由表3中的數(shù)據(jù)得到的諧振腔內(nèi)光斑大小分布如圖3所示。其結(jié)果為：弦切面內(nèi)穩(wěn)定性因子為0.0067，晶體中心處光斑289μm，sesam處光斑為116μm；弧矢面內(nèi)穩(wěn)定性因子為-0.098，晶體中心處光斑296μm，sesam處光斑為116μm。可見，在弦切面和弧矢面內(nèi)，諧振腔穩(wěn)定性因子均接近0，十分穩(wěn)定；在晶體處光斑大小接近且大小合適；在sesam處光斑完全相同，有利于鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)。實(shí)施例2：待設(shè)計(jì)的對(duì)稱四鏡光參量振蕩行波腔結(jié)構(gòu)如圖4所示。該諧振腔包含4個(gè)鏡片，腔參數(shù)有：四個(gè)鏡片的曲率半徑，光參量變換晶體為超晶格材料mgo:ppln,長(zhǎng)度為，腔鏡之間、腔鏡與晶體之間的距離，以及腔鏡之間折疊角等。利用粒子群方法的諧振腔設(shè)計(jì)包含步驟如下：1.根據(jù)實(shí)際情況，考慮到諧振腔的對(duì)稱性，，，因此可以優(yōu)化的獨(dú)立變量為：和；2.合理選擇待優(yōu)化的參數(shù)范圍。將參數(shù)和這5個(gè)變量作為粒子群算法中每一粒子位置矢量的分量，則粒子群優(yōu)化算法中每一粒子位置矢量的維數(shù)是5；合理選擇每一參數(shù)的取值范圍，如表4所示：表4四鏡行波腔5參數(shù)的搜索范圍(單位均為mm)(°)range[50,300][50,10000][10,100][10,100][5,15]3.計(jì)算諧振腔內(nèi)弧矢面內(nèi)和弦切面內(nèi)的傳輸矩陣以及晶體中心處光斑。由于計(jì)算步驟與實(shí)施例1中完全類似，唯一區(qū)別在于本實(shí)施例為行波腔，只計(jì)算單程傳輸矩陣，因此具體過(guò)程此處不在展開。4.本實(shí)施例中，適應(yīng)度函數(shù)f選取如下：將評(píng)價(jià)函數(shù)作為粒子群算法中的適應(yīng)度函數(shù)，對(duì)此函數(shù)進(jìn)行極小值操作，可以得到使適應(yīng)度函數(shù)極小的結(jié)構(gòu)參數(shù)。以優(yōu)化的粒子個(gè)數(shù)30個(gè)、優(yōu)化迭代次數(shù)5000次為例，實(shí)施粒子群優(yōu)化設(shè)計(jì)，適應(yīng)度函數(shù)值隨迭代次數(shù)的變化如圖5所示。優(yōu)化后得到的諧振腔參數(shù)如表5所示，這就是要設(shè)計(jì)的諧振腔參數(shù)。表5優(yōu)化后得到的四鏡行波腔5個(gè)參數(shù)(長(zhǎng)度單位均為mm)value57.6197.613.371.45.0由表5中的數(shù)據(jù)得到的諧振腔內(nèi)光斑大小分布如圖6所示。其結(jié)果為：弦切面內(nèi)穩(wěn)定性因子為0.015，晶體中心處光斑75μm；弧矢面內(nèi)穩(wěn)定性因子為-0.012，晶體中心處光斑75.1μm?？梢姡谙仪忻婧突∈该鎯?nèi)，諧振腔穩(wěn)定性因子均接近0，十分穩(wěn)定；在晶體處光斑大小非常接近，有利于光學(xué)參量振蕩的運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)前第1頁(yè)12