專利名稱：基于隨機(jī)并行優(yōu)化算法的激光諧振腔快速調(diào)腔方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光諧振腔快速調(diào)腔的方法，尤其是一種利用隨機(jī)并行優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)激光諧振腔快速調(diào)腔的方法。
背景技術(shù)：
激光器的輸出功率、光束質(zhì)量和諧振腔是否準(zhǔn)確校調(diào)有很大關(guān)系，腔鏡的失調(diào)量將會(huì)引起激光器輸出光束質(zhì)量和輸出功率的下降，甚至使激光器無(wú)法工作。這要求對(duì)腔鏡失調(diào)做出快速反應(yīng)，及時(shí)調(diào)試。
現(xiàn)有的調(diào)腔方法一是利用干涉條紋判讀，二是利用工作過(guò)程中對(duì)光功率分布的監(jiān)測(cè)。上述方法的經(jīng)驗(yàn)成分比較多，調(diào)節(jié)的精度在很大程度上取決于工作人員的感性經(jīng)驗(yàn)，在比較復(fù)雜的系統(tǒng)中難以知道輸出光束質(zhì)量的下降具體由哪一個(gè)鏡面引起，因此調(diào)腔不夠準(zhǔn)確及時(shí)。而且諧振腔中腔鏡的個(gè)數(shù)和自由度很多，僅根據(jù)工作人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工調(diào)試是不切實(shí)際的，需要更加有效的方法。
隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展，諧振腔的計(jì)算機(jī)輔助調(diào)節(jié)是調(diào)腔技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。張秉均等(中國(guó)激光，1992年第7期)利用紅外光電探測(cè)器觀測(cè)光脈沖包絡(luò)波形，求出腔長(zhǎng)的失調(diào)量，用微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)使腔長(zhǎng)進(jìn)入正常工作領(lǐng)域，然后再用微機(jī)控制電致伸縮器件對(duì)腔長(zhǎng)自動(dòng)調(diào)節(jié)使之工作穩(wěn)定。劉巖等(強(qiáng)激光與粒子束，2003年第3期)在對(duì)氧碘化學(xué)激光器的諧振腔腔鏡失調(diào)量進(jìn)行測(cè)量與研究時(shí)，利用位置傳感器測(cè)量腔鏡偏移信息，再經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換得到偏移數(shù)據(jù)。該方法對(duì)傳感器精度和實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求比較高，并且能夠測(cè)量的失調(diào)自由度數(shù)也較少。胡亞紅等(光子學(xué)報(bào)，2001年第7期)通過(guò)對(duì)諧振腔的輸出光斑進(jìn)行圖像處理，計(jì)算光斑的能量偏移和位置偏移，反推出腔鏡傾斜角和光斑偏移量的關(guān)系，實(shí)時(shí)調(diào)整諧振腔。這種方法已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)定地調(diào)腔，但是僅限在角度失調(diào)量的調(diào)整，有一定局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出利用隨機(jī)并行優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)諧振腔快速調(diào)腔的方法，可以在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速調(diào)腔，對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境和儀器設(shè)備沒(méi)有特殊要求，無(wú)須相位傳感設(shè)備和專門的計(jì)算軟件，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)組成，可以同時(shí)調(diào)整諧振腔內(nèi)的所有腔鏡，縮短了激光器出光前的等待時(shí)間。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是利用隨機(jī)并行優(yōu)化算法控制諧振腔中每一個(gè)腔鏡的位置、角度，使得光束質(zhì)量評(píng)價(jià)函數(shù)取得全局極值。整個(gè)系統(tǒng)由激光器1，諧振腔鏡2、3，傾斜耦合鏡4、5，透鏡6，傳感器7，隨機(jī)并行優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)器件8，位置/角度控制器9組成。
激光器種類不限，可以是He-Ne激光器等任意種類的激光器；諧振腔種類不限，可是是穩(wěn)定腔，也可以是非穩(wěn)腔，腔內(nèi)腔鏡的數(shù)目不限；傳感器可以是CCD、CMOS器件等圖像傳感器，也可以是光電池等光電傳感器；隨機(jī)并行優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)器件可以是計(jì)算機(jī)，也可以是集成電路芯片；位置/角度控制器可以是壓電陶瓷、電磁伸縮器等任意種類可以用于調(diào)節(jié)腔鏡位置/角度的器件。
本發(fā)明快速調(diào)腔的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下1、初步調(diào)整腔鏡2、3；2、諧振腔出射的激光通過(guò)傾斜耦合鏡4、5耦合出腔外，經(jīng)透鏡6匯聚到傳感器7上；3、傳感器7將得到的信息傳至隨機(jī)并行優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)器件8；4、經(jīng)過(guò)8運(yùn)算后將控制電壓信息傳至位置/角度控制器9；5、系統(tǒng)重復(fù)執(zhí)行上述步驟2、3、4，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后，隨機(jī)并行優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)器件8運(yùn)算產(chǎn)生的控制電壓信息將恒定不變，表明此時(shí)諧振腔已經(jīng)調(diào)好。
隨機(jī)并行優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)器件產(chǎn)生控制電壓信息的過(guò)程為首先定義一個(gè)評(píng)價(jià)函數(shù)J(u1，u2，…uN，v1，v2，…vN)，(u1，u2，…uN)、(v1，v2，…vN)分別為作用于位置/角度控制器上的位置控制電壓信息和角度控制電壓信息，N為諧振腔中含有的腔鏡數(shù)目。uj、vj(j＝…N)都是三維向量，控制腔鏡j在整個(gè)空間中位置(x、y、z方向)、角度(偏航、俯仰、橫滾角)的調(diào)整量。凡是滿足以下條件的函數(shù)均可以作為隨機(jī)并行優(yōu)化算法中的評(píng)價(jià)函數(shù)當(dāng)諧振腔已經(jīng)調(diào)好時(shí)，J取全局極值。
在時(shí)間步長(zhǎng)k時(shí)，隨機(jī)并行優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)器件8主動(dòng)向位置/角度控制器9施加隨機(jī)擾動(dòng)電壓(δu1k，…δujk，…δuNk)，(δv1k，…δvjk，…δvNk)，δujk、δvjk是服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律的隨機(jī)變量，滿足⟨δujkδuik⟩=σ12δji,]]>⟨δvjkδvik⟩=σ22δji]]>且⟨δujk⟩=0,]]>⟨δvjk⟩=0,]]>其中δji是Kronecker符號(hào)。隨機(jī)擾動(dòng)電壓可以由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生，也可以是集成電路芯片產(chǎn)生。
在隨機(jī)擾動(dòng)電壓后，隨機(jī)并行優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)器件8根據(jù)接收到傳感器7傳遞的信息計(jì)算此時(shí)因隨機(jī)擾動(dòng)帶來(lái)的評(píng)價(jià)函數(shù)J變化量δJk=J(u1k+δu1k,...ujk+δujk,...uNk+δuNk,v1k+δv1k,...vjk+δvjk,...uNk+δvNk)]]>-J(u1k,...ujk,..uNk,v1k,...vjk,...vNk)]]>根據(jù)評(píng)價(jià)函數(shù)J變化量更新(u1，…uj，…uN，v1，…vj，…vN)，作為下一時(shí)刻作用于位置/角度控制器9的控制電壓信息(u1k+1，…ujk+1，…uNk+1，v1k+1，…vjk+1，…vNk+1)，更新準(zhǔn)則為ujk+1=ujk-γ1δJkδujk]]>vjk+1=vjk-γ2δJkδvjk]]>上式中 γ1、γ2是人為定義的權(quán)重系數(shù)向量，依據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況而定。
通過(guò)向位置/角度控制器9施加隨機(jī)擾動(dòng)電壓，，隨機(jī)并行優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)器件8實(shí)時(shí)計(jì)算評(píng)價(jià)函數(shù)J變化量，能夠不斷更新施加在位置/角度控制器9上的控制電壓信息，直至評(píng)價(jià)函數(shù)J取全局最優(yōu)值，對(duì)應(yīng)諧振腔調(diào)好的情形。這樣就實(shí)現(xiàn)了快速調(diào)腔．采用本發(fā)明可以達(dá)到以下技術(shù)效果1、本發(fā)明提出了一種激光器諧振腔的快速調(diào)腔方法，它借助計(jì)算機(jī)輔助調(diào)腔，避免了傳統(tǒng)人工調(diào)腔工作中存在的盲目性和偶然性，大大節(jié)省了調(diào)腔所需要的工作時(shí)間，提高了工作效率。
2、本發(fā)明提出的快速調(diào)腔方法簡(jiǎn)單易行，對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境和儀器設(shè)備沒(méi)有特殊要求，不需要進(jìn)行復(fù)雜的失調(diào)量計(jì)算，也不需要條紋判讀設(shè)備等復(fù)雜的相位探測(cè)儀器，簡(jiǎn)化了調(diào)腔系統(tǒng)的構(gòu)成。
3、本發(fā)明提出的快速調(diào)腔方法適用范圍廣，適用于任意種類諧振腔的調(diào)腔過(guò)程。
4、本發(fā)明提出的快速調(diào)腔方法可以同時(shí)調(diào)節(jié)諧振腔中所有腔鏡的位置、角度失調(diào)量。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖具體實(shí)施方式
如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由激光器1，諧振腔鏡2、3，傾斜耦合鏡4、5，透鏡6，傳感器7，隨機(jī)并行優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)器件8，位置/角度控制器9組成。首先初步調(diào)整腔鏡2、3；諧振腔出射的激光通過(guò)傾斜耦合鏡4、5耦合出腔外，經(jīng)透鏡6匯聚到傳感器7上；傳感器7將得到的信息傳至隨機(jī)并行優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)器件8；經(jīng)過(guò)8運(yùn)算后將控制電壓信息傳至位置/角度控制器9；系統(tǒng)重復(fù)執(zhí)行上述過(guò)程，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后，隨機(jī)并行優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)器件8運(yùn)算產(chǎn)生的控制電壓信息將恒定不變，評(píng)價(jià)函數(shù)J取全局極值，表明此時(shí)諧振腔已經(jīng)調(diào)好。
權(quán)利要求
1.基于隨機(jī)并行優(yōu)化算法的激光諧振腔快速調(diào)腔方法，其特征在于利用隨機(jī)并行優(yōu)化算法控制諧振腔中每一個(gè)腔鏡的位置、角度，使得光束質(zhì)量評(píng)價(jià)函數(shù)取得全局極值，整個(gè)系統(tǒng)由激光器(1)，諧振腔鏡(2、3)，傾斜耦合鏡(4、5)，透鏡(6)，傳感器(7)，隨機(jī)并行優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)器件(8)，位置/角度控制器(9)組成，快速調(diào)腔的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下1)初步調(diào)整腔鏡(2、3)；2)諧振腔出射的激光通過(guò)傾斜耦合鏡(4、5)耦合出腔外，經(jīng)透鏡(6)匯聚到傳感器(7)上；3)傳感器(7)將得到的信息傳至隨機(jī)并行優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)器件(8)；4)經(jīng)過(guò)隨機(jī)并行優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)器件(8)運(yùn)算后將控制電壓信息傳至位置/角度控制器(9)；5)系統(tǒng)重復(fù)執(zhí)行上述步驟2、3、4，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后，隨機(jī)并行優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)器件(8)運(yùn)算產(chǎn)生的控制電壓信息將恒定不變，表明此時(shí)諧振腔已經(jīng)調(diào)好。
2.如權(quán)利要求1所述的基于隨機(jī)并行優(yōu)化算法的激光諧振腔快速調(diào)腔方法，其特征在于調(diào)整的諧振腔種類不限，可以是任何種類的諧振腔。
3.如權(quán)利要求1所述的基于隨機(jī)并行優(yōu)化算法的激光諧振腔快速調(diào)腔方法，其特征在于調(diào)整的諧振腔內(nèi)含有的腔鏡數(shù)目不限。
4.如權(quán)利要求1所述的基于隨機(jī)并行優(yōu)化算法的激光諧振腔快速調(diào)腔方法，其特征在于激光器(1)種類不限。
5.如權(quán)利要求1所述的基于隨機(jī)并行優(yōu)化算法的激光諧振腔快速調(diào)腔方法，其特征在于傾斜耦合鏡(4)、(5)是有一定孔徑的全反鏡。
6.如權(quán)利要求1所述的基于隨機(jī)并行優(yōu)化算法的激光諧振腔快速調(diào)腔方法，其特征在于所述傳感器(7)可以是CCD、CMOS器件等圖像傳感器，也可以是光電池等光電傳感器。
7.如權(quán)利要求1所述的基于隨機(jī)并行優(yōu)化算法的激光諧振腔快速調(diào)腔方法，其特征在于隨機(jī)并行優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)器件(8)可以是計(jì)算機(jī)，也可以是集成電路芯片。
8.如權(quán)利要求1所述的基于隨機(jī)并行優(yōu)化算法的激光諧振腔快速調(diào)腔方法，其特征在于所述位置/角度控制器(9)可以是任意種類的用來(lái)調(diào)節(jié)腔鏡位置/角度的器件。
9.如權(quán)利要求1所述的基于隨機(jī)并行優(yōu)化算法的激光諧振腔快速調(diào)腔方法，其特征在于采用隨機(jī)并行優(yōu)化算法時(shí)，只要滿足諧振腔已經(jīng)調(diào)好時(shí)取全局極值的函數(shù)J都可以作為算法依據(jù)的評(píng)價(jià)函數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了基于隨機(jī)并行優(yōu)化算法的激光諧振腔快速調(diào)腔方法。該方法為利用隨機(jī)并行優(yōu)化算法控制諧振腔中每一個(gè)腔鏡的位置、角度，使得光束質(zhì)量評(píng)價(jià)函數(shù)取得全局極值。整個(gè)系統(tǒng)由激光器1，諧振腔鏡2、3，傾斜耦合鏡4、5，透鏡6，傳感器7，隨機(jī)并行優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)器件8，位置/角度控制器9組成。該方法節(jié)省了調(diào)腔所需要的工作時(shí)間，提高了工作效率，簡(jiǎn)化了調(diào)腔系統(tǒng)的構(gòu)成，適用于任意種類諧振腔的調(diào)腔過(guò)程。
文檔編號(hào)H01S3/10GK101068060SQ20071003509
公開(kāi)日2007年11月7日 申請(qǐng)日期2007年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月12日
發(fā)明者許曉軍, 周樸, 劉文廣, 張文靜, 陳子倫, 侯靜, 劉澤金 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)