一种基于天牛群优化算法的激光谐振腔设计方法技术

本发明专利技术公开了一种高效率、智能化的激光谐振腔设计方法——基于天牛群优化算法的激光谐振腔设计。结合谐振腔的矩阵理论，利用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的目标值合理构造评价函数，并将此评价函数作为天牛群搜索算法中的适应度函数，对适应度函数进行极小值操作，在合理的搜索范围内获得优选的谐振腔参数组合，编程实现了这种设计方法。本发明专利技术还公开了利用天牛群搜索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。

【技术实现步骤摘要】
一种基于天牛群优化算法的激光谐振腔设计方法
本专利技术属于激光器
，特别涉及一种用于激光谐振腔的智能化设计新方法。
技术介绍
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智能优化的激光谐振腔设计方法具有重要的应用价值。在各种智能优化算法中，粒子群算法是一种常见的全局搜索优化算法，该算法通过大量粒子之间分享信息，协同搜索，在神经网络训练、图像处理、模式识别等领域得到了广泛的应用。但如果参数设置不合理，粒子群算法在程序运行中容易出现“早熟”现象，会陷入局部最优解，从而不能获得全局最优值。2017年出现了一种新的优化算法——天牛须搜索算法，其最典型的特点就是搜索过程中只需要一只天牛，计算量大大减小，寻优速度快，并且程序的编写和调制非常简单，但一个显然的问题是，一只天牛的搜索能力必定有限，当参数维度高、适应度函数有多个局部最小时，天牛须搜索算法难以尽如人意。很自然地，人们想到将天牛须搜索算法和粒子群算法结合起来，提出了天牛群搜索算法，该算法融合了粒子群算法的信息共享以及天牛须搜索算法中单只天牛的随机寻优能力(TWang,LYang,QLiu,“BeetleSwrmOptimizationAlgorithm:TheoryandApplication”,arXivpreprintarXiv:1808.00206,2018-arxiv.org)。到目前为止，还没有把天牛群搜索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天牛群搜索算法结合起来，使激光谐振腔的设计更具智能化具有重要的实际意义。
技术实现思路
本专利技术采用天牛群搜索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，将此评价函数作为天牛群搜索优化算法中的适应度函数，把谐振腔的结构参数与天牛群搜索算法中适应度函数联系起来，提出了用天牛群搜索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。本专利技术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)的组合作为天牛群搜索算法中每一只天牛的中心以及天牛左右两只触角端点在M+N+Q维度空间内的位置矢量；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作为天牛群搜索优化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：(1)根据矩阵光学，曲率半径为R、光线折叠角度为θ的腔镜在弦切面内的反射矩阵为，在弧矢面内的反射矩阵为，从空气中进入折射率为n的激光晶体的折射矩阵为，从折射率为n的激光晶体进入空气的折射矩阵为，光线经过距离的传输矩阵为，在谐振腔的弧矢面和弦切面内，对于驻波腔，以激光晶体中心为起始点，按光线往返传输顺序依次写出各个矩阵并取其点乘，矩阵点乘结果为和，以输出腔镜为起始点，按光线往返传输顺序依次写出各个矩阵并取其点乘，矩阵点乘结果为和;(2)对于行波腔，以激光晶体中心为起始点，按光线单程传输顺序依次写出各个矩阵并取其点乘，矩阵点乘结果为和，以输出腔镜为起始点，按光线单程传输顺序依次写出各个矩阵并取其点乘，矩阵点乘结果为和;(3)计算弦切面和弧矢面内的稳定性判据因子，分别为和；(4)计算晶体中心处在弦切面和弧矢面内的光斑半径大小，分别为和，计算输出腔镜处在弦切面和弧矢面内的光斑半径大小，分别为和。所述步骤4包含下述步骤：(1)设置合理的天牛个数n，对编号从1到n的每只天牛，各自赋予一个随机的初始位置矢量，其中i=1,2,3，…n，位置参数的每个数值在各自的待优化范围内随机取值；对每一只天牛，记录其初始位置为当前最佳位置posBesti，记录该初始位置对应的适应度函数的值为该天牛的个体历史最佳值fBesti；比较n只天牛的适应度函数，选取其中的最小值作为当前的全局最小适应度函数值gBest，对应的位置记为当前的全局最佳位置gposBest；(2)对编号从1到n的每只天牛，生成一个方向随机的单位向量作为该天牛左右两触须的随机搜索方向，该单位向量的维度跟上一步(1)中的维度相同，为M+N+Q维；(3)确定天牛群初始触须长度d0，则每只天牛的左右两触须顶点的位置为：(4)对编号从1到n的每只天牛，从天牛须搜索算法考虑，比较左右两触须顶点对应的评价函数F的大小关系，下一步每只天牛的前进位置应该为：其中step0是天牛的初始移动步长，sign是数学中的符号函数；对于每只天牛，根据粒子群算法的思想，每只天牛的位置移动应该为：其中为第i只天牛的随机移动速度，c1、c2是粒子群算法的两个参数；rand1、rand2是0-1之间的随机数；综合考虑天牛须搜索算法和粒子群算法的思想，则第i只天牛下一步的位置应当为：；(5)对每一只天牛，比较与，如果<，则令posBesti=为第i只天牛的个体历史最优位置，fBesti=为第i只天牛的个体历史最优适应度函数值；(6)比较n只天牛的适应度函数，选取其中的最小值并与gBest比较，如果其小于gBest，则将其替代gBest成为新的全局最小适应度函数值，并将其对应的位置替代为当前的全局最佳位置gposBest；(7)假设算法进行到第k步,则从的迭代过程，完全遵循上述(1)-(6)中从到的步骤；为了能够在搜索初期越过局部最优位置并在搜索后期实现精细搜索，上述步骤(4)中的天牛须步长step和粒子群移动速度均采取逐步变小的形式，具体公式如下：体现在从的迭代公式上即为：其中Iterations表示程序设定的总迭代次数，d0和dIterations表示在初次迭代和最后一次迭代时天牛的触须长度；stepIterations表示在最后一次迭代时天牛的移动步长；w0和wIterations表示在初次迭代和最后一次迭代时天牛的移动速度系数；(8)如果程序达到设定的迭代次数或者适应度函数值达到预期目标，则天牛群搜索过程终止，gposBest即为搜索得到的最佳的谐振腔参数组合。本专利技术有益效果相比传统的人工改本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于天牛群优化算法的激光谐振腔设计方法，可用于两个以及多个腔镜构成的往返驻波谐振腔以及单向行波谐振腔的智能化设计，其特征在于包含下述步骤：(1) 将待优化的谐振腔参数，包括腔镜反射面的曲率半径

【技术特征摘要】
1.一种基于天牛群优化算法的激光谐振腔设计方法，可用于两个以及多个腔镜构成的往返驻波谐振腔以及单向行波谐振腔的智能化设计，其特征在于包含下述步骤：(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)的组合作为天牛群搜索算法中每一只天牛的中心以及天牛左右两只触角端点在M+N+Q维度空间内的位置矢量；(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作为天牛群搜索优化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。2.根据权利要求1的一种激光谐振腔的天牛群搜索优化设计方法，其特征在于所述步骤(2)包括下述步骤：(1)根据矩阵光学，曲率半径为R、光线折叠角度为θ的腔镜在弦切面内的反射矩阵为，在弧矢面内的反射矩阵为，从空气中进入折射率为n的激光晶体的折射矩阵为，从折射率为n的激光晶体进入空气的折射矩阵为，光线经过距离的传输矩阵为，在谐振腔的弧矢面和弦切面内，对于驻波腔，以激光晶体中心为起始点，按光线往返传输顺序依次写出各个矩阵并取其点乘，矩阵点乘结果为和，以输出腔镜为起始点，按光线往返传输顺序依次写出各个矩阵并取其点乘，矩阵点乘结果为和;(2)对于行波腔，以激光晶体中心为起始点，按光线单程传输顺序依次写出各个矩阵并取其点乘，矩阵点乘结果为和，以输出腔镜为起始点，按光线单程传输顺序依次写出各个矩阵并取其点乘，矩阵点乘结果为和;(3)计算弦切面和弧矢面内的稳定性判据因子，分别为和；(4)计算晶体中心处在弦切面和弧矢面内的光斑半径大小，分别为和，计算输出腔镜处在弦切面和弧矢面内的光斑半径大小，分别为和。3.根据权利要求1的一种激光谐振腔的天牛群搜索优化设计方法，其特征在于所述步骤(4)包括下述步骤：(1)设置合理的天牛个数n，对编号从...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩克祯，张芳，葛筱璐，付圣贵，邢飞，刘晓娟，秦华，耿雪，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：山东,37