[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

本發明公開了一種高效率、智能化的激光諧振腔設計方法——基于天牛須搜索算法的激光諧振腔設計。結合諧振腔的矩陣理論，利用弦切面和弧矢面內的穩定性判據因子以及腔內特殊位置處的光斑半徑的目標值合理構造評價函數，并將此評價函數作為天牛須搜索算法中的適應度函數，對適應度函數進行極小值操作，在合理的搜索范圍內獲得優選的諧振腔參數組合，編程實現了這種設計方法。本發明還公開了利用天牛須搜索算法設計諧振腔的兩個實例：7參數優化的駐波鎖模腔和5參數優化的行波同步泵浦光參量振蕩腔。

技術領域

本發明屬于激光器技術領域，特別涉及一種用于激光諧振腔的智能化設計新方法。

背景技術

激光諧振腔參數影響到激光器的穩定性以及腔內不同位置處弦切面與弧矢面內的光斑大小，因此諧振腔參數的選取對激光器的運行有直接而重要的影響。

對于簡單的兩鏡激光腔，由于其參數較少，設計比較簡單。而在科研以及工業應用實際中，隨著需求的多樣性和復雜性，激光諧振腔的結構變得復雜，腔鏡數目較多，腔參數也隨之增加。具體計算和設計諧振腔時，人們一般會參考前人的腔型結構，在此基礎上進行試探性改動，以期獲得所需要的激光諧振腔結構。當需要改動的參數較多時，靠人工尋找一組滿足人們希望的諧振腔參數變得非常困難。因此,研究適合計算機軟件智能優化的激光諧振腔設計方法具有重要的應用價值。

在各種智能優化算法中，粒子群算法是一種常見的全局搜索優化算法，在神經網絡訓練、圖像處理、模式識別等領域得到了廣泛的應用。但是粒子群算法每次迭代都需要在計算大量粒子的適應度函數值，并且要在大量粒子之間進行比較，計算量較大。天牛須搜索算法是2017年剛剛出現的一種優化算法，其最典型的特點就是搜索過程中只需要一只天牛，計算量大大減小，尋優速度快，并且程序的編寫和調制非常簡單。到目前為止，已經有天牛須搜索算法工程應用的專利申請，如“基于天牛須搜索的SDN網絡中多目標組播路由路徑構建方法”(專利申請號：201711267401.3)，但是還沒有把天牛須搜索算法引入到激光諧振腔的優化設計中，因此，把激光諧振腔的設計與天牛須搜索算法結合起來，使激光諧振腔的設計更具智能化具有重要的實際意義。

發明內容

本發明采用天牛須搜索算法進行激光諧振腔優化設計，建立合理的諧振腔評價函數，將此評價函數作為天牛須搜索優化算法中的適應度函數，把諧振腔的結構參數與天牛須搜索算法中適應度函數聯系起來，提出了用天牛須搜索算法設計激光諧振腔的新方法，并且編程實現了這種設計方法，使整形系統的設計程序化、智能化。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是采用如下方法步驟：

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。