[发明专利]一种激光谐振腔的粒子群设计方法

说明书

本发明公开了一种高效率、智能化设计激光谐振腔的方法——粒子群优化算法。根据谐振腔的矩阵理论，将弦切面和弧矢面内的稳定性判据因子以及腔内特殊位置处的光斑半径大小设置为激光谐振腔的评价函数，把此评价函数作为粒子群优化算法中的适应度函数，使谐振腔的结构参数与粒子群算法中适应度函数联系起来，提出了用粒子群算法设计激光谐振腔的方法，并编程实现了这种设计方法，使激光谐振腔的设计智能化。本发明还公开了利用粒子群优化算法设计谐振腔的两个实例：7参数优化的驻波锁模腔和5参数优化的行波同步泵浦光参量振荡腔。

技术领域

本发明属于激光技术领域，特别涉及一种用于激光谐振腔的智能化设计新方法。

背景技术

激光谐振腔参数影响到激光器的稳定性以及腔内不同位置处弦切面与弧矢面内的光斑大小，因此谐振腔参数的选取对激光器的运行有直接而重要的影响。

对于简单的两镜激光腔，由于其参数较少，设计比较简单。而在科研以及工业应用实际中，随着需求的多样性和复杂性，激光谐振腔的结构变得复杂，腔镜数目较多，腔参数也随之增加。具体计算和设计谐振腔时，人们一般会参考前人的腔型结构，在此基础上进行试探性改动，以期获得所需要的激光谐振腔结构。当需要改动的参数较多时，靠人工寻找一组满足人们希望的谐振腔参数变得非常困难。因此,研究适合计算机软件自动优化设计的激光谐振腔设计方法具有切实的应用价值。

近年来,一种智能优化算法—粒子群算法(particle swarm optimization,简称PSO)越来越受到学者的关注。粒子群算法摆脱了对初始结构的依赖，并且是一种全局优化算法，具有收敛速度快、容易编程实现的特点,能够有效地解决复杂的优化问题,在函数优化、神经网络训练、图解处理、模式识别等领域得到了广泛的应用。然而到目前为止，还没有把粒子群算法引入到激光谐振腔的优化设计中，因此，把激光谐振腔的设计与粒子群优化算法结合起来，使激光谐振腔的设计更具智能化和程序化具有重要的实际意义。

发明内容

本发明采用粒子群算法进行激光谐振腔优化设计，建立合理的谐振腔评价函数，将此评价函数作为粒子群优化算法中的适应度函数，把谐振腔的结构参数与粒子群算法中适应度函数联系起来，提出了用粒子群算法设计激光谐振腔的新方法，并且编程实现了这种设计方法，使整形系统的设计程序化、智能化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是采用如下方法步骤：

1. 将待优化的谐振腔参数，包括腔镜反射面的曲率半径(M为待优化腔镜个数)，相邻光学元件距离(N为待优化距离参数个数)，以及腔镜折叠角度(Q为待优化折叠角度个数)的组合作为粒子群算法中每一个粒子的位置矢量；

2. 对于驻波腔，根据传输矩阵法计算谐振腔内各点在弦切面和弧矢面内的往返矩阵和，对于行波腔，根据传输矩阵法计算谐振腔内各点在弦切面和弧矢面内的单程矩阵和，然后计算谐振腔在弦切面和弧矢面内的稳定性判据因子和、激光晶体中心处的光斑半径和、输出镜处的光斑半径和；

3. 根据谐振腔稳定性判据和光斑大小目标值，确定谐振腔的的评价函数F：

其中，和表示弦切面内晶体中心处和输出腔镜处光斑大小的目标值；和表示弧矢面内晶体中心处和输出腔镜处光斑大小的目标值；

4. 评价函数F与谐振腔具体结构参数之间存在确定的函数关系，把评价函数F作为粒子群算法中的适应度函数，对其进行极小值操作，可以得到使适应度函数极小的结构参数组合，这就是要设计的谐振腔参数。

所述步骤2包括下述步骤：