基于随机并行优化算法的激光谐振腔快速调腔方法

摘要

本发明公开了基于随机并行优化算法的激光谐振腔快速调腔方法。该方法为利用随机并行优化算法控制谐振腔中每一个腔镜的位置、角度，使得光束质量评价函数取得全局极值。整个系统由激光器1，谐振腔镜2、3，倾斜耦合镜4、5，透镜6，传感器7，随机并行优化算法实现器件8，位置/角度控制器9组成。该方法节省了调腔所需要的工作时间，提高了工作效率，简化了调腔系统的构成，适用于任意种类谐振腔的调腔过程。

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光谐振腔快速调腔的方法，尤其是一种利用随机并行优化算法实现激光谐振腔快速调腔的方法。

背景技术

激光器的输出功率、光束质量和谐振腔是否准确校调有很大关系，腔镜的失调量将会引起激光器输出光束质量和输出功率的下降，甚至使激光器无法工作。这要求对腔镜失调做出快速反应，及时调试。

现有的调腔方法一是利用干涉条纹判读，二是利用工作过程中对光功率分布的监测。上述方法的经验成分比较多，调节的精度在很大程度上取决于工作人员的感性经验，在比较复杂的系统中难以知道输出光束质量的下降具体由哪一个镜面引起，因此调腔不够准确及时。而且谐振腔中腔镜的个数和自由度很多，仅根据工作人员的经验进行人工调试是不切实际的，需要更加有效的方法。

随着计算机的出现和发展，谐振腔的计算机辅助调节是调腔技术发展的必然趋势。张秉均等(中国激光，1992年第7期)利用红外光电探测器观测光脉冲包络波形，求出腔长的失调量，用微机控制步进电机使腔长进入正常工作领域，然后再用微机控制电致伸缩器件对腔长自动调节使之工作稳定。刘岩等(强激光与粒子束，2003年第3期)在对氧碘化学激光器的谐振腔腔镜失调量进行测量与研究时，利用位置传感器测量腔镜偏移信息，再经过模数转换得到偏移数据。该方法对传感器精度和实验环境要求比较高，并且能够测量的失调自由度数也较少。胡亚红等(光子学报，2001年第7期)通过对谐振腔的输出光斑进行图像处理，计算光斑的能量偏移和位置偏移，反推出腔镜倾斜角和光斑偏移量的关系，实时调整谐振腔。这种方法已经可以实现自动稳定地调腔，但是仅限在角度失调量的调整，有一定局限性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出利用随机并行优化算法实现谐振腔快速调腔的方法，可以在较短的时间内实现快速调腔，对实验环境和仪器设备没有特殊要求，无须相位传感设备和专门的计算软件，简化了系统组成，可以同时调整谐振腔内的所有腔镜，缩短了激光器出光前的等待时间。

本发明的技术解决方案是：利用随机并行优化算法控制谐振腔中每一个腔镜的位置、角度，使得光束质量评价函数取得全局极值。整个系统由激光器1，谐振腔镜2、3，倾斜耦合镜4、5，透镜6，传感器7，随机并行优化算法实现器件8，位置/角度控制器9组成。

激光器种类不限，可以是He-Ne激光器等任意种类的激光器；谐振腔种类不限，可是是稳定腔，也可以是非稳腔，腔内腔镜的数目不限；传感器可以是CCD、CMOS器件等图像传感器，也可以是光电池等光电传感器；随机并行优化算法实现器件可以是计算机，也可以是集成电路芯片；位置/角度控制器可以是压电陶瓷、电磁伸缩器等任意种类可以用于调节腔镜位置/角度的器件。

本发明快速调腔的实现过程如下：

1、初步调整腔镜2、3；

2、谐振腔出射的激光通过倾斜耦合镜4、5耦合出腔外，经透镜6汇聚到传感器7上；

3、传感器7将得到的信息传至随机并行优化算法实现器件8；

4、经过8运算后将控制电压信息传至位置/角度控制器9；

5、系统重复执行上述步骤2、3、4，经过一定的时间后，随机并行优化算法实现器件8运算产生的控制电压信息将恒定不变，表明此时谐振腔已经调好。

随机并行优化算法实现器件产生控制电压信息的过程为：

首先定义一个评价函数J(u₁，u₂，…u_N，v₁，v₂，…v_N)，(u₁，u₂，…u_N)、(v₁，v₂，…v_N)分别为作用于位置/角度控制器上的位置控制电压信息和角度控制电压信息，N为谐振腔中含有的腔镜数目。u_j、v_j(j＝…N)都是三维向量，控制腔镜j在整个空间中位置(x、y、z方向)、角度(偏航、俯仰、横滚角)的调整量。凡是满足以下条件的函数均可以作为随机并行优化算法中的评价函数：当谐振腔已经调好时，J取全局极值。

在时间步长k时，随机并行优化算法实现器件8主动向位置/角度控制器9施加随机扰动电压(δu₁^k，…δu_j^k，…δu_N^k)，(δv₁^k，…δv_j^k，…δv_N^k)，δu_j^k、δv_j^k是服从统计规律的随机变量，满足 $>>⟨>\delta >>u>j>k>>\delta >>u>i>k>>⟩>=>>\sigma >1>2>>>\delta >ji>>,>>>$ >>⟨>\delta >>v>j>k>>\delta >>v>i>k>>⟩>=>>\sigma >2>2>>>\delta >ji>>>>且$ >>⟨>\delta >>u>j>k>>⟩>=>0>,>>>$ >>⟨>\delta >>v>j>k>>⟩>=>0>,>>>其中\delta $$$$_ji是Kronecker符号。随机扰动电压可以由计算机产生，也可以是集成电路芯片产生。

在随机扰动电压后，随机并行优化算法实现器件8根据接收到传感器7传递的信息计算此时因随机扰动带来的评价函数J变化量：

$>>\delta >>J>k>>=>J>>(>>u>1>k>>+>\delta >>u>1>k>>,>.>.>.>>u>j>k>>+>\delta >>u>j>k>>,>.>.>.>>u>N>k>>+>\delta >>u>N>k>>,>>v>1>k>>+>\delta >>v>1>k>>,>.>.>.>>v>j>k>>+>\delta >>v>j>k>>,>.>.>.>>u>N>k>>+>\delta >>v>N>k>>)>>>>$

$>>->J>>(>>u>1>k>>,>.>.>.>>u>j>k>>,>.>.>>u>N>k>>,>>v>1>k>>,>.>.>.>>v>j>k>>,>.>.>.>>v>N>k>>)>>>>$

根据评价函数J变化量更新(u₁，…u_j，…u_N，v₁，…v_j，…v_N)，作为下一时刻作用于位置/角度控制器9的控制电压信息(u₁^k+1，…u_j^k+1，…u_N^k+1，v₁^k+1，…v_j^k+1，…v_N^k+1)，更新准则为：

$>>>u>j>>k>+>1>>>=>>u>j>k>>->>\gamma >1>>\delta >>J>k>>\delta >>u>j>k>>>>$

$>>>v>j>>k>+>1>>>=>>v>j>k>>->>\gamma >2>>\delta >>J>k>>\delta >>v>j>k>>>>$

上式中 γ₁、γ₂是人为定义的权重系数向量，依据系统的实际运行情况而定。

通过向位置/角度控制器9施加随机扰动电压，，随机并行优化算法实现器件8实时计算评价函数J变化量，能够不断更新施加在位置/角度控制器9上的控制电压信息，直至评价函数J取全局最优值，对应谐振腔调好的情形。这样就实现了快速调腔．

采用本发明可以达到以下技术效果：

1、本发明提出了一种激光器谐振腔的快速调腔方法，它借助计算机辅助调腔，避免了传统人工调腔工作中存在的盲目性和偶然性，大大节省了调腔所需要的工作时间，提高了工作效率。

2、本发明提出的快速调腔方法简单易行，对实验环境和仪器设备没有特殊要求，不需要进行复杂的失调量计算，也不需要条纹判读设备等复杂的相位探测仪器，简化了调腔系统的构成。

3、本发明提出的快速调腔方法适用范围广，适用于任意种类谐振腔的调腔过程。

4、本发明提出的快速调腔方法可以同时调节谐振腔中所有腔镜的位置、角度失调量。

附图说明

图1为本发明的系统结构原理示意图

具体实施方式

如图1所示，整个系统由激光器1，谐振腔镜2、3，倾斜耦合镜4、5，透镜6，传感器7，随机并行优化算法实现器件8，位置/角度控制器9组成。首先初步调整腔镜2、3；谐振腔出射的激光通过倾斜耦合镜4、5耦合出腔外，经透镜6汇聚到传感器7上；传感器7将得到的信息传至随机并行优化算法实现器件8；经过8运算后将控制电压信息传至位置/角度控制器9；系统重复执行上述过程，经过一定的时间后，随机并行优化算法实现器件8运算产生的控制电压信息将恒定不变，评价函数J取全局极值，表明此时谐振腔已经调好。