单模封离型CO2激光器谐振腔及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种应用遗传算法的单模封离型ＣＯ↓［２］激光器谐振腔设计方法。它将谐振腔参数作为遗传算法中的基因，若干个基因组成一条染色体，多条染色体数目形成一个二维矩阵，计算出各自的代价函数值（即激光功率）并进行优劣排队，保留其大值，再用交叉选择法和“二元竞争”法选择母本，形成新一代子染色体。经基因突变、循环若干代，以最大值的代价函数为最佳染色体的基因，全局优化获得最优组合的谐振腔参数。该方法还可应用至其它激光器设计与工程问题上。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于激光-CO2激光器领域，特别是涉及单模封离型CO2激光器谐振腔及其设计方法。激光器在科研、工业、医疗、军事等许多领域已经有了广泛的应用。在众多的激光器中，CO2激光器是其中应用最广的一种。在汽车工业以及其它许多部门，CO2激光器广泛应用于切割、焊接、烧蚀、打孔、雕刻等。在单模封离型CO2激光器谐振腔的设计上，人们一直沿用传统的设计方法，即采用经验和理论相结合的方法首先根据激光功率P的要求来确定谐振腔长度L，根据经验选取凹面反射镜的曲率半径R1，按腔场模式分布理论定出在凹面反射镜上的光斑尺寸；然后，根据经验公式，确定小信号增益系数α0，由激光管的内径d等几何尺寸，定出激光腔衍射损耗的菲涅尔数N和谐振腔的几何参数g，再由N和g值从衍射损耗与菲涅尔数N之间的关系，得到对应模式的衍射损耗；根据经验，选取反射镜的吸收、散射等；最后，由理论公式，根据激光功率随出射镜透射率的变化，确定最佳透射率和其它参数。这样的设计方法存在的缺点在于1.它基于经验设计，很难得到优化设计效果；2.取值受到经验的制约，因而，它所确定的参数仅仅是局域的。对于整个激光系统，这些参数并不一定是最佳组合；3.所给出的激光器参数可选范围很大，甚至仅仅是半定量或定性的。本专利技术的目的是提供单模封离型CO2激光器谐振腔的设计方法及由该方法获得的谐振腔参数。该设计方法依据下述原理采用全局优化的遗传算法，对需要设计的激光器谐振腔参数进行全局优化。遗传算法是近年来迅速发展的一种全局优化方法，它的优点是没有“局部最大(小)”问题，计算机程序也比较容易设计。将遗传算法作为计算机主程序，激光功率的理论模型作为子程序，将需要优化的谐振腔参数作为主程序遗传算法中的基因。若干个基因组成一条染色体，染色体数目可为几百个，形成一个二维矩阵。主程序调用子程序，对染色体作二-十进制转换，计算代价函数(即激光功率)并进行优劣排队，保留代价函数值大的，淘汰代价函数值小的。用交叉选择法和“二元竞争”法选择母本，形成新一代的子染色体。染色体经历基因突变，再重复循环若干代，最终使计算的各代价函数值趋于一致最大，可确定最佳染色体的基因，亦即最优组合的系列参数。为实现上述目的，本专利技术给出的单模封离型CO2激光器谐振腔的设计方法，包括以下步骤(1)确定需要优化的激光器谐振腔参数个数、参数精度；每个参数为一个基因，若干个基因按序组成一条染色体；(2)将遗传算法作为计算机主程序，激光功率的理论模型作为子程序；在主程序中，由计算机随机函数产生Mi条二进制初始随机染色体，每一条染色体与待优化参数相对应。对前Mw＝Mi/2条染色体，调用子程序；(3)对各染色体进行二-十进制解码；用CO2激光关于Γ，T，d的理论公式，计算激光功率，并输出之；(4)对Mw条染色体调用子程序，估计各自的代价函数值，即激光功率；(5)根据染色体对应的代价函数值，使其按从大到小顺序排列，丢弃差的一半的染色体；(6)交叉法和“二元竞争”法选择母本，产生新一代染色体；(7)染色体发生突变(0变1，1变0)；(8)判断收敛与否；如果不收敛，返回上述第3步，继续循环；如果收敛，说明已经找到最佳的基因。这时，只需对各个基因各自的0-1系列进行二-十进制转换，即可获得各个参数优化后的具体数值；结束循环，输出结果。下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。附图说明图1为单模封离型CO2激光器谐振腔的结构图。如图示的单模封离型CO2激光器谐振腔，其中1、凹面镜，2、电极，3、回气管，4、贮气管，5、水冷套，6、放电毛细管，7、平面镜，8、进水管，9、出水管。具体实施步骤如下1.确定需要优化的激光器谐振腔参数个数、参数精度。本方案需要确定优化的参数个数为Nc＝3(Γ，T，d)，即有3个基因，基因可按Γ，T，d这样的顺序排列。每个参数为一个基因，若干个基因按序组成一条染色体。每个参数的精度可确定为1/28，即每个参数有Ng＝8个字节。对每一条染色体总共有Ntot＝Nc×Ng＝3×8＝24个字节，相当于一个24列的一维向量。2.将遗传算法作为计算机主程序，激光功率的理论模型作为子程序。在主程序中，由计算机随机函数(例如，在MATLAB中，round(rand(Mi，Ntot))产生由0-1组成的、Mi(＝800)条二进制初始染色体。例如，某一条染色体可以是，其中前8位对应的参数是Γ，第9～16位对应的参数是T，第17～24位对应的参数是d。一共有Mi＝800条不同0-1排列的染色体，形成800×24字节的二维矩阵。对前Mw(＝Mi/2＝400)条染色体，将其0-1矩阵作为实参，调用子程序。在子程序中，设定待优化参数的变动范围，对主程序中传过来的染色体0-1列阵进行二-十进制解码，分别将解码后对应的十进制基因(参数)值赋给CO2激光功率理论公式中的Γ，T，d。由以下公式计算激光功率，并将激光功率作为代价函数值返回给主程序。P=πd24ηTβIs---(1)]]>其中d为激光管直径，η为放电管利用率，T为出射镜透射镜率，Is为激光饱和光强，β为在出射镜上的归一化光强。(a)放电管利用率η=VmVtube=∫0Lπω2(z)dzπd2L/4=4λLπd2Γ-1---(2)]]>其中Γ＝R/L(R为腔镜曲率半径，L为谐振腔长度)，λ为激光波长。(b)归一化光强β=1-α{α0l+ln1/2}(1-α+1-α-T)---(3)]]>其中α为反射镜单程光学损耗，小信号增益α0＝0.012～0.0025d，l为电极间距。(c)饱和光强Is＝72/d2。归纳以上公式，可见当谐振腔长L一定时(电极间距l可稍短于L)，激光功率P最终取决于三个独立参量Γ(或者反射镜曲率半径R)、出射镜透射率T、激光管直径d。对于反射镜光学损耗α，它由两部分组成衍射损耗和吸收、散射等损耗，即α＝α0+α1。比较小的吸收等损耗α1可由实验确定。比较重要的单程衍射损耗α0的计算比较复杂，没有解析表达式，只有衍射积分方程，可由交叉叠代法可求解之。单程衍射损耗最终可表达为α0＝α0(g，N)，其中谐振腔几何参数g＝1-L/R，菲涅耳数N＝d2/4λL，即只要确定了R和d(L为设计之前给定，λ为已知的激光波长)，就可确定α0＝α0(R，d)。为了方便，亦可采用近似表达式对平-凹腔TEM00模，有效菲涅耳数Neff1=Ng(1-g);]]> (这里N≡d2/4λL为共焦腔菲涅耳数)平-凹镜的衍射损耗分别为α0′＝exp(-2πNeff1)，α0″exp(-2πNeff2)所以，总衍射损耗 3.在主程序中，对Mw条染色体调用子程序，估计代价函数值(激光功率)，并将激光功率返回给主程序。例如，随机产生的前8条染色体可为No. 染色体0-1排列 代价函数1 01011100 11001011 01100101 2.32 00110101 11本文档来自技高网...

【技术保护点】
单模封离型ＣＯ↓［２］激光器谐振腔的设计方法，其特征在于该方法将全局优化工具－遗传算法，应用于ＣＯ↓［２］激光器谐振腔参数的优化设计，它包括以下步骤：（１）确定需要优化的激光器谐振腔参数个数、参数精度，每个参数为一个基因，若干个基因按序 组成一条染色体；（２）将遗传算法作为计算机主程序，激光功率的理论模型作为子程序；在主程序中，随机函数产生Ｍ↓［ｉ］条二进制初始随机染色体，每一条染色体对应于一个待优化参数；对前Ｍ↓［ｗ］＝Ｍ↓［ｉ］／２条染色体，调用子程序；（３）对 各染色体进行二－十进制解码；用ＣＯ↓［２］激光关于Г，Ｔ，ｄ的理论公式，计算激光功率，并输出之；（４）对Ｍ↓［ｗ］条染色体调用子程序，估计各自的代价函数值，即激光功率；（５）根据染色体对应的代价函数值，使其按从大到小顺序排列，丢弃差 的一半的染色体；（６）用交叉法和“二元竞争”法选择母本，产生新一代染色体；（７）染色体发生突变（０变１，１变０）；（８）判断收敛与否；如果不收敛，返回上述第（３）步，继续循环；如果收敛，说明已经找到最佳的３个基因；这时，只需对３ 个基因各自的０－１系列进行二－十进制转换，即可获得各个参数优化后的具体数值；结束循环，输出结果。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：程成，
申请(专利权)人：程成，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]