CN101079530B - 自动优化激光模式的固体激光器谐振腔*** - Google Patents
自动优化激光模式的固体激光器谐振腔*** Download PDFInfo
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Abstract
自动优化激光模式的固体激光器谐振腔***，由输出腔镜、反射变形镜、增益介质、窄带滤波片、光斑探测器、分光镜、功率计、高压放大器、主控计算机、望远镜，图像采集卡、聚焦透镜、控制算法组成。本发明利用一块高反射率的反射变形镜取代普通的平面反射镜作为谐振腔的反射端镜，通过优化反射变形镜背后各个驱动器上的电压，使之发生形变，产生相位补偿量校正掉谐振腔内的各种高低阶像差，抑制高阶激光模式的产生，创造利于谐振腔输出基模激光的条件，得到高质量，高亮度的基模输出。本发明不用增加谐振腔的复杂性，具有结构简单，控制方便的优点，使激光器在不大为降低输出功率的同时又能输出光束质量良好的基模激光。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光器谐振腔***，特别是一种固体激光器谐振腔***，是一种利用优化算法控制高分辨率压电反射变形镜对脉冲、准连续和连续固体激光器进行腔内模式自动优化的谐振腔***。
背景技术
近年来，各种类型的固体激光器应用越来越广泛，固态激光器与气体激光器相比：具有寿命长、效率高和可靠性高优点；与化学激光器相比：具有体积小、易操作、运转灵便(连续/重复率/长/短脉冲)、易智能化、无污染的优点。由激光原理可知，一台激光器的谐振腔中可能同时存在若干个稳定的振荡模，只要某一种模的单程增益大于其单程损耗，即满足激光振荡条件，该模式就有可能被激发而起振，这样的机理使得激光器输出的激光模式常常为多横模。由于横模阶数越高，光强分布就越复杂且分布范围越大，其光束发散角也越大，而基模(TEM00)的光强分布图案呈圆形且分布范围很小，其光束发散角最小，功率密度最大，因此亮度也最高，并且径向强度分布是均匀的。在诸如激光通信，高精度激光加工，激光测量等领域，拥有一台能既能输出基模激光，又能保持相对较高的的输出功率的激光器常常是必不可少的前提。要获得单横模的的激光输出，必须有针对性的对模式进行选取和优化。经过选模之后，输出功率可能有所降低，但由于发散度的改善，其亮度可提高几个数量级。横模选择方法可分为两类：一类是改变谐振腔的结构和参数以获得各模衍射损耗的较大差别，提高谐振腔的选模性能；另一类是在一定的谐振腔内***附加的选模元件来提高选模性能。气体激光器常采用前类方法，固体激光器常采用后类方法。 但是固体激光器谐振腔中存在增益介质造成的热透镜效应，热至双折射效应，增益介质的非均匀性，泵浦非均匀，衍射效应，谐振腔腔镜的不对准等因素.这些不利因素常常阻碍固体激光器获得高性能的激光输出。现有的各种针对固体激光器的腔内模式选取方法都难以在保持一定功率水平的同时获得高质量的基模激光输出，本发明针对这些问题，提出一种优化固体激光器模式的新***。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有的固体激光器腔内模式控制方式的不足，提供利用反射变形镜直接作为固体激光器谐振腔的端镜，既能补偿腔内各种像差，又能抑制高阶模式，获得光束高质量的基模激光输出。
本发明的技术解决方案是：自动优化激光模式的固体激光器谐振腔***，其特征在于：主要包括输出腔镜组成的谐振腔、高压放大器、主控计算机、望远镜、功率计、聚焦透镜、窄带滤波片，反射变形镜作为固体激光器谐振腔的高反射端镜，望远镜将谐振腔内的光束口径与反射变形镜口径匹配，经过增益介质将激光放大后，由输出腔镜输出光束，该光束经过窄带滤波片过滤掉除了主要输出波长激光以外的其它杂光，该输出激光入射到分光镜上后，一束透过被功率计接收以便实时测量功率，另一束反射到聚焦透镜并被聚焦在其焦平面上的光斑探测器上，主控计算机内的图像采集卡采集光斑探测器探测到的光强信号，利用此信号作为主控计算机中控制算法要优化的目标函数，主控计算机把经过全局遗传控制算法运算得到的电压信号输出到高压放大器，该信号再经过高压放大器放大，施加在反射变形镜的各个驱动器上，使反射变形镜朝着让目标函数优化的方向产生相应的变形量，当目标函数最优时，在反射变形镜形变范围内的谐振腔中的各种像差得到补偿，输出的光束为光束质量良好的基模光束。
所述的全局遗传算法实现如下：
(1)首先随机生成包含一定数量个体的种群(个体数量15-100)，本发明 中每个个体分别对应作为谐振腔端镜的变形镜的一个面形，变形镜面形由变形镜后面驱动器上施加的电压值决定；
(2)初始化种群后，需要对种群中个体进行编码操作，编码可以通过二进制编码，也可以通过实数编码，编码后的个体称之为染色体。本发明采用实数编码的编码方式；
(3)编码后，计算每个镜面个体的对应的适应度，适应度是用来衡量种群中每个个体可能达到或接近于最优解的优良程度，个体适应度越大，就越逼近最优解，它被选出参与后期交叉操作与变异操作的概率就越大，本发明以光斑探测器探测到的光强信号作为遗传算法的要优化的适应度函数；
(4)在各个个体的适应度被计算出来以后，全局遗传算法根据与适应度成正比例的轮盘赌选择方式进行选择操作，接着再按照一定的交叉概率(0.5-0.99)以单点交叉的方式对种群中被选择出来的个体两两进行交叉操作，然后再按照一定变异概率(0.001-0.9)对种群中的部分个体本身进行变异操作。选择、交叉和变异操作是全局遗传控制算法的三个最主要的操作，它们一起决定了全局遗传控制算法的全局寻优性能和收敛能力；
(5)遗传算法每经过以上4个步骤执行一次，就会产生一个新的种群。遗传算法不断迭代执行以上4个步骤，直到算法满足预先设定的中止条件。
本发明的原理是：采用镀高反射膜系的反射变形镜作为固体激光器谐振腔的端镜，反射变形镜由遗传算法控制，把输出光束经过聚焦透镜聚焦在焦平面上，再把焦平面上探测到的信号作为遗传算法要优化的目标函数，使变形镜朝着让目标函数优化的方向产生相应的变形量。通过控制反射变形镜上各个驱动器的电压，改变变形镜的表面形状，产生相应地相位补偿量，补偿掉谐振腔中地各种像差，从而使谐振腔的结构发生变化，自适应地抑制高阶模式产生，而创造利于产生基模激光的谐振腔条件，输出光束质量良好地基模激光。
本发明与现有技术相比有如下优点：
(1)本发明利用一块高反射率的反射变形镜取代普通的平面反射镜作为谐 振腔的反射端镜，通过优化反射变形镜背后各个驱动器上的电压，使之发生形变，产生相位补偿量校正掉谐振腔内的各种高低阶像差，抑制高阶激光模式的产生，创造利于谐振腔输出基模激光的条件，得到高质量和高亮度的基模输出；
(2)本发明不用增加谐振腔的复杂性，具有结构简单，控制方便的优点，使激光器在不大为降低输出功率的同时又能输出光束质量良好的基模激光；
(3)本发明能够实现谐振腔的动态选模，即不局限于仅仅针对某一输出功率或包含某一特定像差条件下的谐振腔有效。在变形镜的形变范围和空间频率允许范围内，可以在一个相对宽广的功率范围内，对包含各种像差的谐振腔成功实现选模。而现有的通过特定的腔型结构实现腔内模式选取的技术一般是针对某一具体的谐振腔条件，因此，当谐振腔内条件一发生改变，针对初始条件设定的腔型结构，就无法灵活的实现动态的稳定。所以本发明的动态补偿性能恰恰可以很好的解决这一问题；
(4)本发明在校正腔内像差方面可以保证谐振腔耦合输出镜和反射变形镜的自动对准，消除因为腔镜不对准产生的像差，降低衍射损耗，增大输出功率；同时能够消除热透镜效应带来的模式尺寸和光束发散角的变化，以及各种高阶像差。而现有技术常采用的自动调腔技术却难以校正高阶像差，消除热透镜效应带来的模式尺寸和光束发散角的变化，这是因为现有技术采用的自动调腔技术主要调节的器件常常是普通的平面、凹面或者凸面反射镜，这些镜子主要在控制器件如步进电机的控制下工作，最多能实现上下、左右的倾斜调节，从而调整谐振腔的对准和消除倾斜像差，但是这些反射镜无法产生补偿各种高阶像差的面型，从而难以消除高阶像差，当然更不可能动态的消除掉腔内热透镜效应产生的各种不利因素了；
(5)本发明采用的反射变形镜为镀高反射膜系的反射式变形镜，这种变形镜谐振频率高(104Hz级)，响应时间快(微秒级)，非线性滞后小(＜±5％)，动态行程范围大(几个微米)，能承受高功率密度激光(达数千瓦/厘米2)，驱动器单元数多，空间分辨率高，它不仅能够校正固体激光器内的静态像差，还能 校正随着热效应和功率条件变化而变化的动态像差，而普通的反射腔镜是难以满足这些要求的；
(6)本发明采用全局遗传算法总是能够在各种遗传算子选择得当的条件下，跳出各个局部最优点，以100％的概率搜索到求解问题的全局最优解，回避了一些局部最优算法，如爬山法，模拟退火法，梯度下降法等算法容易陷入局部最优的缺点；同时，全局遗传算法工作时，不受初始寻优位置的限制。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的反射变形镜的结构图；
图3为本发明采用的控制算法即遗传算法的流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明主要由反射变形镜1、望远镜2、增益介质3、输出腔镜4组成的谐振腔，以及窄带滤波片5、分光镜6、功率计7、聚焦透镜8、光斑探测器9、主控计算机10、高压放大器11和遗传算法构成的***设备和控制算法组成。因为增益介质3的口径一般在几个毫米量级，而腔内光束的口径还要略小于增益介质的口径，这就远小于变形镜的通光口径(约十几到几十个毫米)所以望远镜2主要用来匹配腔内光束与变形镜1的口径，使光束口径能够覆盖80％左右的变形镜1的口径，由输出腔镜4输出的激光入射到分光镜后上，一束透过被功率计7接收以便实时测量功率，一束反射到聚焦透镜8并被聚焦在其焦平面上的CCD相机9上。内置于主控计算机10内的图像采集卡采集CCD相机9探测到的光强信号，利用此信号作为主控计算机10中遗传算法要优化的目标函数。主控计算机10把经过全局遗传控制算法运算得到的电压信号输出到高压放大器11被放大后施加在反射变形镜1的各个驱动器上，使反射变形镜1朝着让目标函数优化的方向产生相应的变形量。当目标函数最优时，谐振腔内的各种像差得到补偿，输出的光束为光束质量良好的基模激光。
本发明中的窄带滤波片5不仅能耐较强输出光，又具有很窄的频带(±10nm)，可以很好的过滤掉各种杂光。望远镜2为无焦点的望远镜，既作为扩束***，又不影响基模体积。光斑探测器9是量子效率较高的CCD探测器，其响应波段从可见光到近红外光。
如图2所示，作为高反腔镜的反射变形镜1的反射率超过99.9％，主要由薄反射镜面12，压电陶瓷驱动器13，基板14和电极引线15组成，反射变形镜1是一种连续镜面变形镜，连续镜面具有拟合误差小，光能损失少，能保持波前相位连续的优点。所采用的压电陶瓷驱动器13的位移分辨率很高，控制很方便：给压电陶瓷驱动器施加电压，利用逆压电效应就可以产生位移。由于单片压电陶瓷片在数百伏的电压下也只能产生0.1～0.2微米的变形，所以，压电陶瓷驱动器13由很多压电陶瓷片叠加而成，各个陶瓷片在电路上是并联的而变形量是叠加的，这样就可以增大变形镜1的变形量。基板14主要用来支撑压电陶瓷驱动器13，压电陶瓷驱动器13的一端与刚性基板14相连，另一端紧靠在薄反射镜面12，电极引线15连接在各个驱动器上，通过基板14上的通孔引出去，与高压放大器11相连，为压电陶瓷驱动器13产生伸缩从而推动薄反射镜面12发生形变提供相应的电压。
如图3所示，本发明的全局遗传算法实现如下：
(1)首先，随机产生一个初始种群，种群包含一定数量(一般范围为15-100)的反射变形镜1的面形个体；
(2)初始化种群后对个体进行编码。由于实数编码的方法可以提高遗传算法的运算效率，改善遗传算法的复杂性，所以采取实数编码的方式对各个面型个体编码。各个个体可用下面的形式表示：
Vi＝[v1v2，...，vn] (i＝1，2，...，M) (1)
其中，Vi表示种群中的一个镜面面型个体，对应于遗传算法的一个染色体，M表示种群的规模；vj(j＝1，2，...n)是实数，代表的是反射变形镜1上所施加的电压值，在数学含义上，它们又分别对应遗传算法的一个基因位，取值在[vmin vmax]之间，vmin代表最小电压，vmax代表最大电压，n是变形镜上驱动器的个数。根据固体激光器模式优化的要求，可以选择不同口径和驱动器数量(空间分辨率)的变形镜，以便达到最优化***的目的；
(3)编码后，计算每个镜面个体的对应的适应度，以光斑探测器探测到的光强信号作为遗传算法的要优化的适应度函数；
(4)在各个个体的适应度被计算出来以后，根据与适应度成正比例的轮盘赌选择方式进行选择操作，选择操作后，再按照一定的交叉概率(一般为0.5-0.99)以单点交叉的方式对种群中被选择出来的个体两两进行交叉操作交叉操作是遗传算法产生新个体的主要方式，本发明采用单点算术交叉的方式，它通过对父代的两个镜面面形个体发生互换部分基因的方式来产生新的个体，设要交叉的两个变形镜面型个体分别为V1，V2，则经过交叉产生的两个新面型个体为：
V1’＝λ1.V1+λ2.V2 (2)
V2’＝λ1.V2+λ2.V1 (3)
(2)，(3)中，参数λ1+λ2＝1且0＜λ1，0＜λ2；
交叉操作后进行变异操作，再按照变异概率0.001-0.9对种群中的部分个体本身进行变异操作；变异操作是决定遗传算法局部搜索能力的操作方式，它是产生新个体的辅助方式，本发明采用非均匀变异算子。具体实现方式如下：设某一代中变异率Pm确定出的要进行变异的反射变形镜1的面形为Vi＝[v1v2...，vk...，vn]，变异位为vk，则经过变异后新个体为V’i＝[v1 v2...，v’k...，vn]，新基因位vk’由下式获得：
vk’＝vk-Δ(t，vk-vkmin) (4)
公式(4)式中，vkmin是vk可取的下限值，函数Δ(t，y)返回一个在[0，y]区间内的值，可用以下式子描述：
Δ(t，y)＝y.r(1-t/T)a (5)
公式(5)式中，r是个在[0，1]内的随机数，T是遗传算法总的迭代次 数，依***而定，T的范围在[100，1000]t代表算法执行代数，a是个权重因子，范围一般在([1，5]，由(5)式可知，当t趋近于T时Δ(t，y)趋近于零；
(5)遗传算法每经过适应度计算、选择、交叉、变异4个遗传操作后就要判定一次算法是否达到终止条件，如果不满足终止条件，则进入到下一代重复迭代计算，再一次进行各种遗传操作；如果满足终止条件则结束算法，找到对应于最大适应度的那个镜面面型，该面型就是优化模式所需的最好反射变形镜1面型。
值得注意的是，遗传算法在执行过程中不需要人工干预，但是在实际实验之前，还是要合适的选取各个遗传操作的参数(初始种群数量，变异率，交叉率等)最后确定出一组最优的参数条件，选取参数的过程是需要事先做大量的仿真工作来完成的，一旦完成这个过程，此后就不再需要人工干预，在实际工作中直接利用这组参数就能最有效地对激光器***进行控制。
Claims (7)
1.自动优化激光模式的固体激光器谐振腔***，其特征在于：主要包括输出腔镜(4)组成的谐振腔、高压放大器(11)、主控计算机(10)、望远镜(2)、功率计(7)、聚焦透镜(8)、窄带滤波片(5)，反射变形镜(1)作为固体激光器谐振腔的高反射端镜，望远镜(2)将谐振腔内的光束口径与反射变形镜(1)口径匹配，经过增益介质(3)将激光放大后，由输出腔镜(4)输出光束，该光束经过窄带滤波片(5)过滤掉除了主要输出波长激光以外的其它杂光，该输出激光入射到分光镜(6)上后，一束透过被功率计(7)接收以便实时测量功率，另一束反射到聚焦透镜(8)并被聚焦在其焦平面上的光斑探测器(9)上，主控计算机(10)内的图像采集卡采集光斑探测器(9)探测到的光强信号，利用此信号作为主控计算机(10)中控制算法要优化的目标函数，主控计算机(10)把经过全局遗传控制算法运算得到的电压信号输出到高压放大器(11)，该信号再经过高压放大器(11)放大，施加在反射变形镜(1)的各个驱动器上，使反射变形镜(1)朝着让目标函数优化的方向产生相应的变形量，当目标函数最优时，在反射变形镜(1)形变范围内的谐振腔中的各种像差得到补偿，输出的光束为光束质量良好的基模光束；所述的全局遗传控制算法实现如下：
(1)首先随机产生个体数量为15-100的初始种群，每个个体分别对应作为谐振腔端镜的变形镜的一个面形；
(2)初始化种群后，采用实数编码对种群中的个体进行编码；
(3)编码后，计算每个镜面个体的对应的适应度，以光斑探测器探测到的光强信号作为遗传算法的要优化的适应度函数；
(4)在各个个体的适应度被计算出来以后，根据与适应度成正比例的轮盘赌选择方式进行选择操作，再按照交叉概率0.5-0.99以单点交叉的方式对种群中被选择出来的个体两两进行交叉操作，然后再按照变异概率0.001-0.9对种群中的部分个体本身进行变异操作；
(5)遗传算法每经过以上4个步骤执行一次，就会产生一个新的种群，不断迭代执行以上4个步骤，直到算法满足预先设定的中止条件。
2.根据权利要求1所述的自动优化激光模式的固体激光器谐振腔***，其特征在于：所述的反射变形镜(1)的反射率超过99.9％。
3.根据权利要求1或2所述的自动优化激光模式的固体激光器谐振腔***，其特征在于：所述的反射变形镜(1)主要由薄反射镜面(12)，压电陶瓷驱动器(13)、基板(14)和电极引线(15)组成，基板(14)主要用来支撑压电陶瓷驱动器(13)，压电陶瓷驱动器(13)的一端与刚性基板(14)相连，另一端紧靠在薄反射镜面(12)，电极引线(15)连接在各个压电陶瓷驱动器(13)上，通过基板(14)上的通孔引出去，与高压放大器(11)相连，为压电陶瓷驱动器(13)产生伸缩从而推动薄反射镜面(12)发生形变提供相应的电压。
4.根据权利要求3所述的自动优化激光模式的固体激光器谐振腔***，其特征在于：所述的压电陶瓷驱动器(13)由多个压电陶瓷片叠加而成，各个陶瓷片在电路上是并联的而变形量是叠加的。
5.根据权利要求1所述的自动优化激光模式的固体激光器谐振腔***，其特征在于：所述的窄带滤波片(5)具有±10nm的窄频带。
6.根据权利要求1所述的自动优化激光模式的固体激光器谐振腔***，其特征在于：所述的光斑探测器(9)为CCD探测器。
7.根据权利要求1所述的自动优化激光模式的固体激光器谐振腔***，其特征在于：所述的望远镜(2)为无焦点的望远镜。
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