[發明專利]一種基于天牛須搜索算法的激光諧振腔優化設計方法

在審

• 申請號: 201811226065.2
• 申請日: 2018-10-22
• 公開（公告）號: CN109408949A
• 公開（公告）日: 2019-03-01
• 發明（設計）人: 韓克禎;張芳;葛筱璐;劉曉娟;付圣貴;邢飛;秦華;耿雪
• 申請（專利權）人: 山東理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于天牛須搜索算法的激光諧振腔優化設計方法，可用于兩個以及多個腔鏡構成的往返駐波諧振腔以及單向行波諧振腔的智能化設計，其特征在于包含下述步驟：

(1) 將待優化的諧振腔參數，包括腔鏡反射面的曲率半徑(M為待優化腔鏡個數)，相鄰光學元件距離 (N為待優化距離參數個數)，以及腔鏡折疊角度 (Q為待優化折疊角度個數)的組合作為天牛須搜索優化算法中天牛須左右觸角所在的位置矢量；

(2) 對于駐波腔，根據傳輸矩陣法計算諧振腔內各點在弦切面和弧矢面內的往返矩陣和，對于行波腔，根據傳輸矩陣法計算諧振腔內各點在弦切面和弧矢面內的單程矩陣和，然后計算諧振腔在弦切面和弧矢面內的穩定性判據因子和、激光晶體中心處的光斑半徑和、輸出鏡處的光斑半徑和；

(3) 根據諧振腔穩定性判據和光斑大小目標值，確定諧振腔的評價函數F：

其中，和表示弦切面內晶體中心處和輸出腔鏡處光斑大小的目標值；和表示弧矢面內晶體中心處和輸出腔鏡處光斑大小的目標值；

(4) 評價函數F與諧振腔具體結構參數之間存在確定的函數關系，把評價函數F作為天牛須搜索優化算法中的適應度函數，對其進行極小值操作，可以得到使適應度函數極小的結構參數組合，這就是要設計的諧振腔參數。

2.根據權利要求1的一種激光諧振腔的天牛須搜索優化設計方法，其特征在于所述步驟(2)包括下述步驟：

(1) 根據矩陣光學，曲率半徑為R、光線折疊角度為θ的腔鏡在弦切面內的反射矩陣為，在弧矢面內的反射矩陣為，從空氣中進入折射率為n的激光晶體的折射矩陣為，從折射率為n的激光晶體進入空氣的折射矩陣為，光線經過距離的傳輸矩陣為，在諧振腔的弧矢面和弦切面內，對于駐波腔，以激光晶體中心為起始點，按光線往返傳輸順序依次寫出各個矩陣并取其點乘，矩陣點乘結果為和，以輸出腔鏡為起始點，按光線往返傳輸順序依次寫出各個矩陣并取其點乘，矩陣點乘結果為和;

(2) 對于行波腔，以激光晶體中心為起始點，按光線單程傳輸順序依次寫出各個矩陣并取其點乘，矩陣點乘結果為和，以輸出腔鏡為起始點，按光線單程傳輸順序依次寫出各個矩陣并取其點乘，矩陣點乘結果為和;

(3) 計算弦切面和弧矢面內的穩定性判據因子，分別為和；

(4) 計算晶體中心處在弦切面和弧矢面內的光斑半徑大小，分別為和， 計算輸出腔鏡處在弦切面和弧矢面內的光斑半徑大小，分別為和。

3.根據權利要求1的一種激光諧振腔的天牛須搜索優化設計方法，其特征在于所述步驟(4)包括下述步驟：

(1) 生成一個隨機的天牛初始位置矢量，其中每一個參數的數值在各自的待優化范圍內隨機取值；記錄該初始位置為當前最佳位置posBest，記錄該初始位置對應的適應度函數的值為當前最佳值fBest；

(2) 生成一個方向隨機的單位向量作為天牛的兩條須的搜索方向，該單位向量的維度跟上一步(1)中的維度相同；

(3) 確定天牛須初始須長d₀，則天牛的左右兩須頂點的位置為：

(4) 比較左右兩須頂點對應的評價函數F的大小關系，并決定下一步天牛的前進位置：

其中step₀是天牛的初始移動步長，sign是數學中的符號函數；

比較與，如果<，則令posBest=，fBest=；

(5) 假設算法進行到第k步, 此時天牛的位置、兩須搜索隨機單位方向、左右兩須的位置和移動步長分別為, 那么在k+1步時，天牛的位置更新為：

比較與，如果<，則令posBest=，fBest=；

為了避免搜索過程中陷入局部最優值，天牛的須長和步長均隨迭代次數k而變化的策略，具體表現為：

其中Iterations表示程序設定的總迭代次數， d_Iterations表示在最后一次迭代時天牛的觸須長度；step_Iterations表示在最后一次迭代時天牛的移動步長；

(6) 如果程序達到設定的迭代次數或者適應度函數值達到預期目標，則天牛須搜索過程終止，posBest即為搜索得到的諧振腔參數組合。