高功率光纤激光器种子源光谱展宽优化方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种高功率光纤激光器种子源光谱展宽优化方法及系统，包括：步骤S1：参数初始化，根据目标光谱设计驱动电信号；步骤S2：输出驱动电信号，展宽种子源光谱；步骤S3：测量并存储展宽后的种子源光谱信息，对光谱信息进行解析得到经验值并存储；步骤S4：根据经验值进行优化网络的训练和更新，得到最大收益值；步骤S5：建立驱动电信号和种子源光谱间的对应模型，并优化获得目标光谱对应的驱动电信号谱型。本发明专利技术基于常规相位调制数学关系和实验数据，采用深度学习算法建立驱动电信号与种子源展宽光谱间的物理模型，通过自定义的驱动信号设计，可实现对每一个频率信号的精确控制，有效提高种子源光谱的控制精度与灵活度。效提高种子源光谱的控制精度与灵活度。效提高种子源光谱的控制精度与灵活度。

【技术实现步骤摘要】
高功率光纤激光器种子源光谱展宽优化方法及系统


[0001]本专利技术涉及高功率连续光纤激光器领域，具体地，涉及一种高功率光纤激光器种子源光谱展宽优化方法及系统。

技术介绍

[0002]高功率连续光纤激光器具有光束质量高、可靠性好、电光转换效率高、体积小和热管理方便等优点，在相干合成、非线性频率转换、工业加工和军事攻防等领域具有重要的应用。基于主控振荡器功率放大(Master Oscillator Power Amplifier，MOPA)结构的全光纤激光器易于实现且功率提升性能显著，被认为是光纤激光器高功率输出的首选结构。然而，当泵浦功率过高时，激光输出会受到光纤中多种非线性效应的影响，包括交叉相位调制、受激拉曼散射效应、受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering，SBS)效应和四波混频，其中，光纤中的受激布里渊散射(SBS)效应阈值最低，成为限制激光器最高输出功率的瓶颈问题。常见的SBS效应抑制方法包括：增大光纤有效模场面积，改变布里渊增益谱，减小光纤有效长度，相位调制展宽种子源线宽。综合考虑制作工艺复杂度、SBS效应阈值提升度及可操作性因素，利用相位调制拓宽种子源带宽的方案具有操作简单可控、功率提升效率高的特点，成为抑制大功率光纤激光器中SBS效应的研究热点。
[0003]高功率连续光纤激光器中，种子源相位调制光谱展宽的调制信号主要有正弦信号、白噪声源(White Noise Source，WNS)、伪随机二进制序列(Pseudo
‑
Random Binary Sequence，PRBS)及多频信号，当前驱动电信号及展宽后的谱型可控度较差，展宽光谱基本为高斯型，且信号随机性引发的自脉冲现象，使得最大输出功率受限。相同的带宽和总功率下，具有不同光谱形状的种子源，获得的激光器输出功率阈值不同。然而，对于什么样的种子源光谱具有最好的光束质量和最高的非线性效应抑制效率仍是一个疑惑。此外，关于种子源最佳驱动信号的模型探索和理想光谱优化研究较为欠缺。因此，本专利技术旨在建立种子源驱动电信号以及展宽光谱形状间的模型，在已知种子源目标谱型的情况下，设计和优化相位调制器驱动电信号，以获得理想的目标谱型，针对不同应用场景，指导种子源的光谱设计方向，提升激光器功率效率。
[0004]专利文献CN113852424A(申请号：CN202111117160.0)公开了一种种子源光谱展宽方法、装置及高功率连续光纤激光器系统，种子源光谱展宽方法包括：通过种子源输出保偏窄线宽连续激光信号；通过驱动模块产生伪随机比特序列信号作为驱动信号并输出至功放模块；所述功放模块对所述驱动模块输出的驱动信号进行功率放大处理；相位调制器接收所述种子源输出的保偏窄线宽连续激光信号以及所述功放模块输出的驱动信号，通过高阶相位调制的方式对所述保偏窄线宽连续激光信号进行展宽。本专利技术建立驱动电信号与种子源展宽光谱间的物理模型。在已知种子源目标谱型的情况下，设计和优化相位调制器驱动电信号，以获得理想的目标谱型，通过自定义的驱动信号设计，实现对每一个频率信号的精确控制。而该专利技术仅仅是简单进行了种子源光谱展宽，没有针对不同应用场景，实现种子源不同目标谱型的展宽。
[0005]专利文献CN113991409A(申请号：CN202111264892.2)公开了一种基于二值化多频信号驱动的种子源光谱展宽系统及方法，包括：种子源输出窄线宽光信号；设计二值化多频信号，通过任意波形发生器输出；滤除信号谐波后，进行功率放大，再滤除倍频成分；通过相位调制展宽种子源光谱；测量与记录展宽后种子源光谱形状；种子源通过一个光隔离器后，通过光功率预放大器；种子源信号光接入第一光环形器端口，从第二光环形器端口引出接入光功率主放大器，将一个光功率计与第三光环形器端口相接；将第二光环形器端口输出信号经光功率计进行实时检测。虽然该专利技术在有限光谱展宽范围内优化了光谱细节，却没有实现种子源目标谱型的展宽，同时，对于器件响应非线性在内的因素会带来光谱谱型误差的技术问题，该专利技术没有解决这一存在的技术问题。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种高功率光纤激光器种子源光谱展宽优化方法及系统。
[0007]根据本专利技术提供的一种高功率光纤激光器种子源光谱展宽优化方法，包括：
[0008]步骤S1：参数初始化，根据目标光谱设计驱动电信号；
[0009]步骤S2：输出驱动电信号，展宽种子源光谱；
[0010]步骤S3：测量并存储展宽后的种子源光谱信息，对光谱信息进行解析得到经验值并存储；
[0011]步骤S4：根据经验值进行光谱优化网络的训练和更新，得到最大收益值；
[0012]步骤S5：建立驱动电信号和种子源光谱间的对应模型，并优化获得目标光谱对应的驱动电信号谱型。
[0013]优选地，在所述步骤S1中：
[0014]初始化驱动电信号、智能体Agent、经验回放池、光谱状态并定义状态转移过程，根据种子源的目标光谱形状，设计相应谱型的驱动电信号；
[0015]初始化对象包括Actor网络μ
θ
，Critic网络Q
w
，Target Actor网络Target Critic网络和经验回放池；
[0016]使用随机参数θ，w初始化Actor网络μ
θ
和Critic网络Q
w
；
[0017]使用随机参数初始化Target Actor网络和Target Critic网络
[0018]其中，设置的初始值等于θ，设置的初始值等于w；经验回放池存储经验的格式为：
[0019]E＝(s
i
,a
i
,r
i
,s
i+1
,done)
[0020]其中，s
i
表示当前种子源光谱状态，a
i
表示Agent根据当前状态s
i
产生的动作，即驱动电信号的谱型，r
i
表示Agent面对状态s
i
时采取动作a
i
获得的奖励，s
i+1
表示Agent采取动作a
i
后，种子源光谱更新后的状态，done是整个状态转移过程是否结束的标志；
[0021]驱动电信号的谱型设计包括幅度、相位、频率间隔、带宽和幅度包络形状；种子源光谱信息包括幅度、带宽、带内平坦度和幅度包络形状。
[0022]优选地，在所述步骤S2中：
[0023]信号发生器输出预设的驱动电信号；生成的驱动电信号经过功率放大后，输入相
位调制器的射频输入端口，种子源输出预设波长的激光，输入相位调制器进行光谱调制展宽；
[0024]信号发生器包括任意波形发生器、数字模拟转换器；
[0025]种子源的相位调制光谱展宽过程是单级相位调制或多级相位调制；
[0026]在所述步骤S3中：<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高功率光纤激光器种子源光谱展宽优化方法，其特征在于，包括：步骤S1：参数初始化，根据目标光谱设计驱动电信号；步骤S2：输出驱动电信号，展宽种子源光谱；步骤S3：测量并存储展宽后的种子源光谱信息，对光谱信息进行解析得到经验值并存储；步骤S4：根据经验值进行光谱优化网络的训练和更新，得到最大收益值；步骤S5：建立驱动电信号和种子源光谱间的对应模型，并优化获得目标光谱对应的驱动电信号谱型。2.根据权利要求1所述的高功率光纤激光器种子源光谱展宽优化方法，其特征在于，在所述步骤S1中：初始化驱动电信号、智能体Agent、经验回放池、光谱状态并定义状态转移过程，根据种子源的目标光谱形状，设计相应谱型的驱动电信号；初始化对象包括Actor网络μ
θ
，Critic网络Q
w
，Target Actor网络Target Critic网络和经验回放池；使用随机参数θ，w初始化Actor网络μ
θ
和Critic网络Q
w
；使用随机参数初始化Target Actor网络和Target Critic网络其中，设置的初始值等于θ，设置的初始值等于w；经验回放池存储经验的格式为：E＝(s
i
,a
i
,r
i
,s
i+1
,done)其中，s
i
表示当前种子源光谱状态，a
i
表示Agent根据当前状态s
i
产生的动作，即驱动电信号的谱型，r
i
表示Agent面对状态s
i
时采取动作a
i
获得的奖励，s
i+1
表示Agent采取动作a
i
后，种子源光谱更新后的状态，done是整个状态转移过程是否结束的标志；驱动电信号的谱型设计包括幅度、相位、频率间隔、带宽和幅度包络形状；种子源光谱信息包括幅度、带宽、带内平坦度和幅度包络形状。3.根据权利要求1所述的高功率光纤激光器种子源光谱展宽优化方法，其特征在于：在所述步骤S2中：信号发生器输出预设的驱动电信号；生成的驱动电信号经过功率放大后，输入相位调制器的射频输入端口，种子源输出预设波长的激光，输入相位调制器进行光谱调制展宽；信号发生器包括任意波形发生器、数字模拟转换器；种子源的相位调制光谱展宽过程是单级相位调制或多级相位调制；在所述步骤S3中：光谱仪测量并存储展宽后的种子源光谱信息；初始化种子源光谱状态为：s0＝(1,I
limit
(1),0,0,
…
0)种子源光谱的第i个状态定义为：s
i
＝(id,I
limit
(id),I1,I2,
…
I
m
)其中，id表示待确定位置的索引，按照频率分量从1直到m的顺序对位置进行排序，I
limit
(id)表示第id个位置的最大功率限制，I
id
,id＝1,2,
…
m表示第id个频率分量的功率值；定义种子源光谱状态转移过程为：
从初始状态s0＝(1,I
limit
(1),0,0,
…
0)开始，Agent产生动作a0＝I1，设定该频率分量的功率值，获得奖励r0＝0，更新状态至s1＝(2,I
limit
(2),I1,0,
…
0)，设置状态转移结束标志done＝False，表示整个状态转移过程未结束；从光谱状态s
i
＝(i+1,I
limit
(i+1),I1,I2,
…
I
i
,
…
0)开始，Agent产生动作a
i
＝I
i+1
，设定第i+1个频率分量功率值，然后获得奖励r
i
＝0，更新状态至s
i+1
＝(i+2,I
limit
(i+2),I1,I2,
…
I
i
,I
i+1
,
…
0)，设置状态转移结束标志done＝False，表示整个状态转移过程未结束；依次类推，直至更新状态至结束状态s
m
＝(0,0,I1,I2,
…
I
m
)，设置状态转移结束标志done＝True，表示整个状态转移过程结束，当done＝True时，令r0＝r1＝
…
＝r
i
＝
…
r
m
＝reward，reward表示整个状态转移过程结束后，根据当前光谱谱型计算出的奖励值。4.根据权利要求1所述的高功率光纤激光器种子源光谱展宽优化方法，其特征在于，在所述步骤S4中：根据获得的经验值对智能体Agent进行训练和更新；重复训练与策略探索，直到获得最大的收益值；将状态转移过程E＝(s
i
,a
i
,r
i
,s
i+1
,done)作为经验，存入经验回放池中，重复状态更新操作，直至产生指定数量的经验；其中，s
i
表示当前种子源光谱状态，a
i
表示Agent根据当前状态s
i
产生的动作，即驱动电信号的谱型，r
i
表示Agent面对状态s
i
时采取动作a
i
获得的奖励，s
i+1
表示Agent采取动作a
i
后，种子源光谱更新后的状态，done是整个状态转移过程是否结束的标志；根据下述公式最小化损失：Loss2＝
‑
Q
w
(s
i
,μ
θ
(s
i
)),reward表示整个状态转移过程结束后，根据当前光谱谱型计算出的奖励值；表示目标Q网络参数，Loss1表示Critic网络Q
w
优化公式，Loss2表示Actor网络μ
θ
优化公式，MSE表示均方误差；更新Critic网络Q
w
和Actor网络μ
θ
，Q
w
(s
i
,a
i
)表示Critic网络Q
w
面对状态为s
i
和动作为a
i
时的输出，μ
θ
(s
i
)表示Actor网络μ
θ
面对状态为s
i
时输出的动作，Q
w
(s
i
,μ
θ
(s
i
))表示Critic网络Q
w
面对状态为s
i
和动作为μ
θ
(s
i
)时的输出，α为折扣因子。5.根据权利要求1所述的高功率光纤激光器种子源光谱展宽优化方法，其特征在于，在所述步骤S5中：对修正后的驱动电信号和种子源展宽光谱进行解析，重建驱动电信号和种子源光谱间的对应模型，并通过迭代优化方法获得目标光谱对应的驱动电信号谱型；重复上述训练更新操作，训练结束判断标准为：当前奖励值与上一次奖励值之差的绝对值小于χ1，当前Agent输出动作与上一次Agent输出动作之差的绝对值小于χ2，其中χ1≥0，χ2≥0为设定的判决阈值，最后根据Agent输出动作的收敛值确定驱动信号谱型。6.一种高功率...

【专利技术属性】
技术研发人员：石梦悦，义理林，吴勇，李洁，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：