專利名稱：一種基于遺傳算法的自適應(yīng)校正激光器像差的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自適應(yīng)光學(xué)裝置，特別是一種用于校正MOPA固體激光器輸出激光動態(tài)和靜態(tài)像差，提高輸出激光光束質(zhì)量的基于遺傳算法的自適應(yīng)校正激光器像差的裝置。
背景技術(shù)：
自1960年T.Maiman發(fā)明了紅寶石激光器以來，激光技術(shù)對傳統(tǒng)學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了巨大影響，以激光技術(shù)為核心的相關(guān)產(chǎn)業(yè)已成為知識經(jīng)濟(jì)時代和信息時代的重要驅(qū)動力量，激光技術(shù)將在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、醫(yī)療衛(wèi)生和科學(xué)研究中發(fā)揮不可取代的關(guān)鍵作用，是一項具有戰(zhàn)略性，全局性和帶動性的戰(zhàn)略高技術(shù)。
激光器按其工作物質(zhì)來說，可分為固體、氣體、液體、化學(xué)和自由電子激光器等幾大類。其中，固體激光器由于具有體積小、儲能高、激發(fā)方案簡單和可靠性高等優(yōu)點，逐步處在激光研究的核心地位。人們也從過去單方面追求研制高功率的固體激光器，轉(zhuǎn)而開始認(rèn)識到提高出光光束的質(zhì)量同樣具有現(xiàn)實意義。主振蕩激光器加功率放大器(MOPA)固體激光器是產(chǎn)生高光束質(zhì)量和高脈沖能量激光的基本途徑光束脈寬，發(fā)散角和光譜寬度，由主振蕩激光器決定；主振蕩激光器的脈沖能量通過功率放大器放大。利用MOPA固體激光器，人們希望讓主振蕩激光器小功率工作，輸出接近衍射極限的光束，再讓光束經(jīng)過功率放大器放大，得到高功率且質(zhì)量良好的輸出激光。但是要達(dá)到這樣的目標(biāo)，所遇到困難就是如何消除高泵浦功率產(chǎn)生的堆積在增益介質(zhì)中的熱負(fù)荷產(chǎn)生的熱畸變效應(yīng)。因為熱畸變效應(yīng)引起的熱致雙折射以及增益介質(zhì)中的熱透鏡效應(yīng)會嚴(yán)重影響到激光器的出光性能，采用兩個完全相同的激光棒串接中間加90°旋光片的方法可以降低熱致雙折射，改善激光器的出光質(zhì)量，但卻難以從根本上消除熱畸變效應(yīng)帶來的各種像差；透鏡效應(yīng)中的球差也可以通過設(shè)計良好的諧振腔得到有效的減少，然而，非球差卻難以用同樣的方式補(bǔ)償，而且這些非球差會隨著增益介質(zhì)中累積熱量的增加而增加，使激光器的效率降低。相位共軛鏡，衍射光學(xué)元件常常用來減少高功率固體激光器的熱畸變效應(yīng)。但是，這些器件的缺點是它們會增加諧振腔的復(fù)雜性，而且會引起新的損耗，不能在一個較大的功率范圍內(nèi)適用。在現(xiàn)代固體激光器技術(shù)中，常常還需要把一定強(qiáng)度的激光模式傳輸?shù)街付ㄎ矬w的表面上，一般的方法是利用補(bǔ)償棱鏡，空間濾波器等光學(xué)器件。這些器件的工作原理和應(yīng)用情況，可以參見“Diffractive optical elementsfortheinfrared”.H.Haidner，P.Kipfer，J.T.SheridanJ.Schwider，W.StorK，N.streibl，andM.Collischon.ProC.SPIE，Vol.1993，pp.666-667。
這些光學(xué)元件對指定不變的光束模式結(jié)構(gòu)(常常是高斯光束)是有效的，它們共同的缺點是當(dāng)激光的模式稍稍發(fā)生變化，這些光學(xué)器件的效率就會變得非常低，這就限制了它們的應(yīng)用范圍。1996年，T.Y.Cherezova等人利用雙壓電變形反射鏡構(gòu)成的自適應(yīng)諧振腔，可以校正連續(xù)波YAG:Nd3+固體激光器輸出激光光束的前五階低階像差。這種系統(tǒng)的詳細(xì)信息可以參見“T.Y.Cherezova，Cw industrial rod YAG:Nd3+laser with an intracavityactive bimorph mirror”，Applied Optics Vol.35，No.15，pp.2554-2561，1996。但此方法的缺點是采用人工手動的控制方法，并沒有用到實時波前控制算法，而且系統(tǒng)中所用的雙壓電變形鏡雖然具有行程量大的優(yōu)點，卻沒有很高的精度，空間分辨能力也較差，在校正高頻高階像差方面顯得力不從心。
自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)能夠?qū)崟r測量并且校正受到大氣湍流擾動的光學(xué)相位波前，因此在天文觀測，激光傳輸?shù)阮I(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。近年來，自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)還被成功用來補(bǔ)償固體激光器工作過程產(chǎn)生的各種像差，改善固體激光器輸出激光的光束質(zhì)量。常規(guī)的利用自適應(yīng)光學(xué)校正固體激光器像差的系統(tǒng)主要由波前探測、波前重構(gòu)和波前校正三部分組成，其中波前探測常采用的方式是直接探測法，而哈特曼波前傳感器又是直接探測法常用的波前探測器，利用哈特曼波前傳感器事先探測出激光光束波前像差的斜率，然后施加相應(yīng)的控制算法驅(qū)動變形鏡產(chǎn)生鏡面變形補(bǔ)償?shù)籼綔y到的波前像差。但是，由于哈特曼波前傳感器成本較高，高精度的哈特曼波前傳感器價格可達(dá)數(shù)十萬元，而且哈特曼波前傳感器的通用性很差，不同的自適應(yīng)系統(tǒng)常需要不同的哈特曼傳感器，再加上這種傳感器并沒有市場化，購買困難。這些不利因素在很大程度上限制了自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)在固體激光器像差校正方面的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題克服現(xiàn)有的各種補(bǔ)償MOPA固體激光器像差技術(shù)的不足，提供了一種用間接波前探測技術(shù)探測MOPA固體激光器輸出激光的像差信息，再利用變形鏡對像差進(jìn)行有效補(bǔ)償?shù)幕谶z傳算法的自適應(yīng)校正激光器像差的裝置。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種基于遺傳算法的自適應(yīng)校正激光器像差的裝置，其特征在于包括主振蕩激光器、光學(xué)隔離器、功率放大器、P方向偏振片、1/4波片、平行光管、變形鏡、功率計、變密度衰減盤、分光鏡、光電探測器、高壓放大器、數(shù)據(jù)采集卡、聚焦透鏡、小孔光闌、主控計算機(jī)18，主振蕩激光器發(fā)出的種子光經(jīng)過光學(xué)隔離器引入到功率放大器中，通過P方向偏振片和1/4波片再經(jīng)過平行光管擴(kuò)束后，入射到變形鏡上，經(jīng)過鏡面反射后再返回通過1/4波片，經(jīng)過P方向偏振片反射后再入射到分光鏡上，其中分光鏡的反射部分由實時測量激光器輸出功率的功率計接收，透過分光鏡的那部分光束，經(jīng)過變密度衰減盤衰減再由小孔光闌限制后入射到遠(yuǎn)場光電探測器，把測量到的光強(qiáng)信號作為遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)，同時作為算法要優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)目標(biāo)函數(shù)值越大，該激光器輸出激光的像差就校正得越好，光強(qiáng)信號通過主控計算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡被采集到主控計算機(jī)中，執(zhí)行主控計算機(jī)內(nèi)的基于遺傳算法的控制算法，通過基于遺傳算法的處理，把經(jīng)過迭代運(yùn)行得到的控制電壓控制信號由高壓放大器施加在變形鏡驅(qū)動器上，使變形鏡朝著讓目標(biāo)函數(shù)增大的方向發(fā)生形變，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)即激光器輸出的光強(qiáng)信號達(dá)到最大時，激光光束的像差就得到最大程度的校正。
所述的由一塊P方向偏振片，1/2波片，以及法拉第旋光片組成的光學(xué)隔離器，用來隔離輸出激光和功率放大器自發(fā)輻射激光的反射光，使之不能回到主振蕩激光器中，保護(hù)主振蕩激光器不受損害。
所述的遺傳算法是一種全局尋優(yōu)算法，它以焦平面上小孔光闌后的光電探測器探測到的光強(qiáng)信號作為適應(yīng)度函數(shù)，利用此函數(shù)作為MOPA固體激光器輸出激光像差校正效果的目標(biāo)函數(shù)。小孔光闌的尺寸可以調(diào)節(jié)。在遺傳算法控制下使變形鏡朝著讓目標(biāo)函數(shù)增大的方向發(fā)生形變，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)即激光器輸出的光強(qiáng)信號達(dá)到最大時，輸出激光的像差就得到最大程度的校正。
如圖3所示，本發(fā)明的遺傳算法在執(zhí)行的時候，(1)首先隨即生成一個初始種群為遺傳算法提供搜索空間，初始種群由一定數(shù)量(30～100個)的個體組成；每個個體分別對應(yīng)于變形鏡的一個面形。(2)產(chǎn)生初始種群以后，要對各個個體進(jìn)行編碼操作，實數(shù)編碼是連續(xù)參數(shù)優(yōu)化問題直接的自然描述，不存在編碼和解碼問題，相對于二進(jìn)制編碼，實數(shù)編碼能夠提高解的精度和運(yùn)算速度，故所述的遺傳算法采取實數(shù)編碼的方式對各個面型個體編碼。
所述的用來測量固體激光器出光功率的功率計的響應(yīng)范圍從微瓦級到百瓦級。
所述的光電探測器的響應(yīng)波段范圍廣，對可見光和紅外光都能響應(yīng)，其中對近紅外光所對應(yīng)的波段響應(yīng)最靈敏。所述的光電探測器可以是光電二極管陣列，也可以是光電耦合器件(如CCD，CMOS等)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(1)本發(fā)明采用間接波前探測技術(shù)，探測器通用性強(qiáng)，價格較便宜，解決了直接波前探測技術(shù)中常需要比較昂貴波前探測器的問題。
(2)本發(fā)明所采用的遺傳算法是一種模仿自然界生物適者生存進(jìn)化原理的全局搜索算法，經(jīng)過一次次迭代運(yùn)行，能自動搜索到問題的最優(yōu)解。目前已經(jīng)用在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的爬山法，同樣是一種基于間接波前探測技術(shù)之上的搜索方法，這種算法最大的缺點就是它的搜索每次都是從一個點開始，是個串行的過程，容易使搜索陷于局部最優(yōu)值。而遺傳算法的搜索是從一個種群開始，搜索空間更大，并且具有內(nèi)在并行性，只要參數(shù)選擇得當(dāng)，算法能以百分之百的概率搜索到問題的全局最優(yōu)值，所以能確保MOPA固體激光器輸出激光的像差被校正得更加徹底。
(3)本發(fā)明所采用的遺傳算法是一種自適應(yīng)遺傳算法。算法執(zhí)行時，從一定數(shù)目的初始種群開始搜索，并且根據(jù)問題收斂情況，自適應(yīng)地調(diào)節(jié)遺傳算子，不需要人為干預(yù)，這使得它具有全局搜索性能的同時，既可以防止算法早熟又不輕易破壞掉各代種群中的最優(yōu)個體。
(4)本發(fā)明采用的變形鏡為鍍高反射膜系的反射式變形鏡，這種變形鏡諧振頻率高(104Hz級)，響應(yīng)時間快(微秒級)，非線性滯后小(＜±5％)，動態(tài)行程范圍大(幾個微米)，能承受高功率密度激光(達(dá)數(shù)千瓦/厘米2)，它不僅能夠校正低階像差，也能校正高階像差，這就克服了雙壓電變形鏡難以校正高階像差的缺點，也克服了其它一些像差補(bǔ)償元件，如相位共軛器件難以耐強(qiáng)光的缺點。
(5)本發(fā)明并沒有在MOPA固體激光器腔內(nèi)引入額外元件，避免了引入新元件會在腔內(nèi)引入新像差，引起更大功率損耗的缺點；也克服了利用常規(guī)方法校正MOPA固體激光器像差時，高功率和高質(zhì)量輸出光往往不能兼?zhèn)涞娜秉c，使得在獲得良好光束質(zhì)量的同時，可以保證輸出激光功率穩(wěn)定。
綜上所述，本發(fā)明可以很好的校正MOPA固體激光器輸出激光光束像差，改善MOPA固體激光器輸出激光的光束質(zhì)量，提高輸出激光的亮度和遠(yuǎn)場光斑的能量集中度，從而拓展MOPA固體激光器的應(yīng)用范圍。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明所用的變形鏡的結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明所采用的控制算法即遺傳算法的流程圖。
具體實施例方式
如圖1所示，主振蕩激光器1發(fā)出質(zhì)量較好的種子光，種子光經(jīng)過隔離裝置20，變成單向通行的偏振光。隔離過程如下種子光先通過系統(tǒng)中第一塊P方向偏振片2變成偏振光后再通過法拉弟旋光片3和1/2波片4，法拉弟旋光片3和1/2波片4配合使用，可以允許種子光單向進(jìn)入到功率放大器21，而讓反射回來的輸出激光和功率放大器21放大的自發(fā)輻射光的偏振態(tài)發(fā)生90度改變，從而無法回到主振蕩激光器1。功率放大器21由兩個相同的激光頭5和7和一塊90度旋光片6組成。功率放大器21用來放大種子激光的功率，兩個激光頭5和7之間的90度旋光片6用來盡可能地補(bǔ)償?shù)魺崃﹄p折射效應(yīng)，減少由這種效應(yīng)帶來的像差和功率損失；經(jīng)過功率放大器21輸出的激光不僅帶有主振蕩激光器1的像差，也帶有功率放大器21產(chǎn)生的像差。輸出激光是P方向偏振的，故它能完全通過系統(tǒng)中第二塊P方向偏振片8，再透過1/4波片9，最后經(jīng)過平行光管10擴(kuò)束后入射到變形鏡11上。平行光管10用來匹配激光光束的直徑和變形鏡11的口徑使之大小一致；作為波前校正器的變形鏡11是這套裝置最核心的能動器件，它能實時校正MOPA固體激光器輸出激光光束的像差；激光經(jīng)過變形鏡11反射再次通過1/4波片9，此時，激光的偏振方向便由P偏振變?yōu)镾偏振，不能透過第二塊P方向偏振片8；反射的激光再經(jīng)第二塊P方向偏振片8反射到分光鏡12上；分光鏡12的作用是把輸出激光分成兩部份，功率計13測量反射的激光，并用來觀測MOPA固體激光器的出光功率在該裝置閉環(huán)工作前后的大小和變化情況；而透過分光鏡12的那部分光束，經(jīng)過變密度衰減盤14衰減，再由放置在聚焦透鏡15焦平面上的小孔光闌16限制后入射到遠(yuǎn)場光電探測器17上。變密度衰減盤14的作用是調(diào)節(jié)激光光強(qiáng)以避免讓光電探測器17接收到的光強(qiáng)太強(qiáng)而飽和，失去探測功能。在本發(fā)明中，把光電探測器17測量到的光強(qiáng)信號作為激光器像差校正好壞的評價函數(shù)評價函數(shù)值越大，該MOPA固體激光器輸出光束的像差校正得就越好。光強(qiáng)信號通過數(shù)據(jù)采集卡被采集到主控計算機(jī)18中，執(zhí)行主控計算機(jī)18內(nèi)的基于遺傳算法的控制算法，通過軟件處理，把經(jīng)過迭代運(yùn)行得到的電壓控制信號由高壓放大器19施加在變形鏡11的各個驅(qū)動器上，使變形鏡11朝著讓評價函數(shù)增大的方向發(fā)生形變，當(dāng)評價函數(shù)值即激光器輸出的光強(qiáng)信號達(dá)到最大時，MOPA固體激光器輸出激光的像差就得到最大程度的校正。
如圖2所示，本發(fā)明的變形鏡11為鍍高反射膜系的反射式變形鏡，該變形鏡的變形是靠鏡面背后的壓電陶瓷驅(qū)動器的推動產(chǎn)生的，通過對驅(qū)動器上電極施加電壓，使鏡面產(chǎn)生變形。這種變形鏡諧振頻率高(104Hz級)，響應(yīng)時間快(可達(dá)微秒級)，非線性滯后小(＜±5％)，能承受高功率密度激光(達(dá)達(dá)數(shù)千瓦/厘米2)，動態(tài)行程范圍大(幾個微米)。
如圖2所示的鍍高反射膜系的反射式變形鏡11主要由薄反射鏡面，壓電陶瓷驅(qū)動器，基板和電極引線組成，變形鏡11是一種連續(xù)鏡面變形鏡，連續(xù)鏡面具有擬合誤差小，光能損失少，能保持波前相位連續(xù)的優(yōu)點。所采用的壓電陶瓷驅(qū)動器的位移分辨率很高，控制很方便給壓電陶瓷驅(qū)動器施加電壓，利用逆壓電效應(yīng)就可以產(chǎn)生位移。由于單片壓電陶瓷片在數(shù)百伏的電壓下也只能產(chǎn)生0.1～0.2微米的變形，所以，壓電陶瓷驅(qū)動器由很多壓電陶瓷片疊加而成，各個陶瓷片在電路上是并聯(lián)的而變形量是疊加的，這樣就可以增大變形鏡11的變形量?；逯饕脕碇螇弘娞沾沈?qū)動器，多個壓電陶瓷驅(qū)動器的一端與剛性基板相連，另一端與薄鏡面相連，電極引線連接在各個驅(qū)動器上，通過基板上的通孔引出去，與控制系統(tǒng)中的高壓放大器相連，為壓電陶瓷驅(qū)動器產(chǎn)生伸縮從而推動薄鏡面發(fā)生形變提供相應(yīng)的電壓。
本發(fā)明所采用的間接波前探測技術(shù)是基于像清晰化原理基礎(chǔ)上的，像清晰化自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的原理是在不使用專門測量波前像差信息的傳感器(如哈特曼波前傳感器)的前提下，用一個綜合指標(biāo)，如透鏡焦平面上一個小孔光闌后的光強(qiáng)信號，功率信號等作為評價函數(shù)就能獲得激光光束在像差校正前后的性能改善情況。設(shè)帶有像差的MOPA固體激光器輸出光束相位為W1(r，θ)，經(jīng)過變形鏡11產(chǎn)生的補(bǔ)償波前的相位為W2(r，θ)，r，θ是聚焦透鏡15物平面上的極坐標(biāo)，為了處理問題方便，把物平面半徑歸一化為1。根據(jù)傅立葉衍射理論，光電探測器上的光強(qiáng)信號可以表示為F=I0|∫02π∫011πexp(jW1(r,θ)-jW2(r,θ))rdrdθ|2---(1)]]>其中，I0是個與MOPA固體激光器輸出光功率成正比的量， 設(shè)A＝(A1，A2，...Ak，...An)，是用來表述待校正的MOPA固體激光器輸出光束波前的各階澤尼克多項式的系數(shù)，B＝(B1，B2，...Bk，...Bn)是變形鏡11產(chǎn)生的波前的澤尼克多項式的系數(shù)，由澤尼克多項式表達(dá)波前相位的方式有W1(r，θ)＝A.Zk(r，θ) (2)W2(r，θ)＝B.Zk(r，θ) (3)令C＝(c1，c2，...ck，...cn)＝A-B(4)則(1)可寫為F=I0|∫02π∫011πexp(jΣk=1nckZk(r,θ))rdrdθ|2---(5)]]>由于澤尼克多項式具有正交性，當(dāng)|C|非常小時，由泰勒展開定理有F≈IO*exp(j(|C|)≈IO*(1-|C|2) (6)由(6)式可知，光電探測器17上探測到的光強(qiáng)信號F越大，就表明像差校正得越好。最理想的情況是|C|＝O，此時，入射波前的像差得到全部補(bǔ)償。
圖3是本發(fā)明的所用控制算法即自適應(yīng)遺傳算法的執(zhí)行流程圖。如圖3所示遺傳算法首先產(chǎn)生一個初始種群，種群包含一定數(shù)量的變形鏡面形個體。由于實數(shù)編碼的方法可以提高遺傳算法的運(yùn)算效率，改善遺傳算法的復(fù)雜性，所以采取實數(shù)編碼的方式對各個面型個體編碼。各個個體可用下面的形式表示Xi＝[V1V2，...，Vn] (7)其中，Xi表示種群中的一個鏡面面型個體，對應(yīng)于遺傳算法的一個染色體，i表示種群中個體的數(shù)量；Vj(j＝1，2，...n)是實數(shù)，代表的是產(chǎn)生該鏡面面形所對應(yīng)的變形鏡驅(qū)動器上施加的電壓值，它們分別對應(yīng)遺傳算法的一個基因，它們的取值在各個驅(qū)動器所能加的電壓范圍[VminVmax]之間，Vmin代表最小電壓，Vmax代表最大電壓，n是變形鏡上驅(qū)動器的個數(shù)。
光電探測器17能實時測量輸出激光的光強(qiáng)信號，以該光強(qiáng)信號函數(shù)(即等式(6)中的F)作為算法的適應(yīng)度函數(shù)，同時以該適應(yīng)度函數(shù)作為遺傳算法要優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，那么，面形個體對應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)值越大，則該面形就越有可能接近校正MOPA固體激光器輸出光束像差的所需的最佳面形。計算出一代種群中所有面型個體對應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)值，選出最大適應(yīng)度函數(shù)值對應(yīng)的個體保留下來，不用參與后期的選擇，交叉，變異操作，直接進(jìn)入到下一代中。
選擇操作采用輪盤賭的選擇策略，輪盤賭選擇是與適應(yīng)度函數(shù)成正比的選擇方式，適應(yīng)度越大的個體被選擇參與后期操作的概率就越大。
交叉操作是遺傳算法產(chǎn)生新個體的主要方式，本發(fā)明采用自適應(yīng)單點交叉的方式，它通過對父代的兩個面形個體發(fā)生互換部分基因的方式來產(chǎn)生新的個體，自適應(yīng)交叉率為Pc，用以下式子表示Pc=Pcmin+K(Pcmax-Pcmin)(fbetter-fave)(fmax-fave),if(fbetter>fave)Pcmax,(otherwise)---(8)]]>(8)中，Pcmax代表最大交叉率，Pcmin代表最小交叉率，fmax表示一代種群中最大的適應(yīng)度，fbetter代表兩個要進(jìn)行交叉操作的個體對應(yīng)的適應(yīng)度較大值，而fave表示一代種群中所有個體的平均適應(yīng)度。且有0＜Pcmin＜Pcmax＜1。K為常數(shù)，其取值要保證0＜Pc＜1。
利用這樣的自適應(yīng)交叉方式，在個體進(jìn)行交叉操作時，種群的最大適應(yīng)度fmax與平均適應(yīng)度fave之差在一定程度上表示了群體的穩(wěn)定性，(8)中fmax-fave越小，表示群體中個體適應(yīng)度差別越小，因此群體達(dá)到早熟的可能性越大；相反，fmax-fave越大，說明個體適應(yīng)度差別大，個體特性發(fā)散。為了克服早熟，當(dāng)fmax-fave較小時，增大Pc；當(dāng)fmax-fave較大時，減小Pc；然而，遺傳算法運(yùn)行時不僅要克服早熟，也要保持每代中優(yōu)良個體不被輕易破壞掉，所以在同一代中對不同的個體賦予不同的Pc，保護(hù)適應(yīng)度高的個體，其Pc應(yīng)減小，而適應(yīng)度低的個體應(yīng)增大Pc，這樣，Pc不僅與fmax-fave有關(guān)，而且與(8)中的fbetter-fave有關(guān)。設(shè)要交叉的兩個變形鏡面型個體分別為V1，V2，采取算術(shù)交叉的方式，則經(jīng)過交叉產(chǎn)生的兩個新面型個體V1’，V2’由下面等式產(chǎn)生V1’＝λ1.V1+λ2.V2 (9)V2’＝λ1.V2+λ2.V1 (10)(9)，(10)中，參數(shù)λ1+λ2≤2且0＜λ1，0＜λ2變異操作是決定遺傳算法局部搜索能力的操作方式，它是產(chǎn)生新個體的輔助方式，本發(fā)明采用單點交叉非均勻變異的方式。具體實現(xiàn)方式如下設(shè)某一代中要進(jìn)行變異的一個面型個體為Xi＝[V1 V2...，VK...，Vn]，變異位為Vk，則經(jīng)過變異后新個體為Xi’＝[V1 V2...，VK’...，Vn]，新基因位Vk’由以下等式獲得Vk’＝Vk-Δ(t，Vk-Vkmin) (11)(11)中，Vkmin是Vk可取的下限值，函數(shù)Δ(t，y)返回一個在
區(qū)間內(nèi)的值，可用以下式子描述Δ(t，y)＝y(tǒng).r(1-t/T)a(12)(12)中，r是個在
內(nèi)的隨機(jī)數(shù)，T是遺傳算法總的迭代次數(shù)，t代表算法執(zhí)行代數(shù)，a是個權(quán)重因子，由(12)可知，當(dāng)t趨近于T時Δ(t，y)趨近于零。
遺傳算法經(jīng)過適應(yīng)度計算、選擇、交叉、變異一系列操作后就要判定一次算法是否達(dá)到收斂條件，如果不滿足收斂條件，則進(jìn)入到下一代重復(fù)迭代計算，再一次進(jìn)行各種遺傳操作；如果滿足收斂條件則結(jié)束算法，找到對應(yīng)于最大適應(yīng)度的那個變形鏡面型，該面型就是校正MOPA固體激光器輸出激光光束中像差的最好面型。收斂條件可以用以下公式表示h=(fave(t+1)-fave(t))fave(t)≤0.01---(13)]]>
(13)中，fave(t)表示的是第t代種群的平均適應(yīng)度，fave(t+1)表示的是t+1代種群的平均適應(yīng)度，h表示的是相鄰兩代種群的平均適應(yīng)度之差與前一代種群平均適應(yīng)度的比值，當(dāng)比值滿足條件(13)時，就認(rèn)為遺傳算法已經(jīng)滿足收斂條件。此時，MOPA固體激光器輸出激光光束的像差就得到了很好校正。
間接波前探測技術(shù)，不需直接探測激光光束波前的像差信息，而是探測波前像差對像質(zhì)的影響函數(shù)，即所謂的像清晰度函數(shù)。當(dāng)波前像差為零，像清晰度函數(shù)達(dá)到極值。間接波前探測技術(shù)多用在校正包含靜態(tài)像差或緩慢變化的動態(tài)像差的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。間接波前探測技術(shù)所需的波前探測器多為光電探測器件，如CCD，CMOS，光電二極管等，這些器件具有通用性，價格也不貴。在間接波前探測技術(shù)的基礎(chǔ)上，本發(fā)明公布了一種利用自適應(yīng)遺傳算法作為校正MOPA固體激光器輸出激光光束像差的控制算法。波前探測器采用光電探測器，像清晰度函數(shù)用遠(yuǎn)場光電探測器測得的光強(qiáng)信號函數(shù)來表征；遺傳算法執(zhí)行的時候，把像清晰度函數(shù)作為算法要優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，當(dāng)像清晰度函數(shù)值達(dá)到最大時，也即激光器輸出的光強(qiáng)信號達(dá)到最大時，激光光束的像差就得到最大程度的校正。由于MOPA固體激光器輸出激光的像差變化不快，所以，該方法能成功地被應(yīng)用來校正MOPA固體激光器輸出激光光束的像差，從而使MOPA固體激光器的輸出光束變得穩(wěn)定，光束質(zhì)量達(dá)到良好的狀態(tài)，擴(kuò)大MOPA固體激光器的應(yīng)用范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于遺傳算法的自適應(yīng)校正激光器像差的裝置，其特征在于包括主振蕩激光器(1)、光學(xué)隔離器(20)、功率放大器(21)、P方向偏振片(8)、1/4波片(9)、平行光管(10)、變形鏡(11)、功率計(13)、變密度衰減盤(14)、分光鏡(12)、光電探測器(17)、高壓放大器(19)、聚焦透鏡(15)、小孔光闌(16)和主控計算機(jī)(18)，主振蕩激光器(1)發(fā)出的種子光經(jīng)過光學(xué)隔離器(20)引入到功率放大器(21)中，通過P方向偏振片(8)和1/4波片(9)再經(jīng)過平行光管(10)擴(kuò)束后入射到變形鏡(11)上，經(jīng)過鏡面反射后再返回通過1/4波片(9)，再經(jīng)過P方向偏振片(8)反射后再入射到分光鏡(12)上，其中分光鏡(12)的反射部分由實時測量激光器輸出功率的功率計(13)接收，而透過分光鏡(12)的那部分光束，經(jīng)過變密度衰減盤(14)衰減再由小孔光闌(16)限制后入射到光電探測器(17)，把測量到的光強(qiáng)信號作為遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)，同時作為算法要優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，該光強(qiáng)信號通過主控計算機(jī)(18)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡被采集到主控計算機(jī)(18)中，執(zhí)行主控計算機(jī)(18)內(nèi)的基于遺傳算法的控制算法，通過基于遺傳算法的處理，把經(jīng)過迭代運(yùn)行得到的控制電壓控制信號由高壓放大器(19)施加在變形鏡(11)驅(qū)動器上，使變形鏡(11)朝著讓目標(biāo)函數(shù)增大的方向發(fā)生形變，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)即激光器輸出的光強(qiáng)信號達(dá)到最大時，激光光束的像差就得到最大程度的校正。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于遺傳算法的自適應(yīng)校正激光器像差的裝置，其特征在于所述的變形鏡為鍍高反射膜系的反射式變形鏡，靠鏡面背后的壓電陶瓷驅(qū)動器推動來動作。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于遺傳算法的自適應(yīng)校正激光器像差的裝置，其特征在于所述的光學(xué)隔離器(20)依次由一塊P方向偏振片(2)，1/2波片(3)及法拉第旋光片(4)組成，用來隔離輸出激光和功率放大器自發(fā)輻射激光的反射光，使之不能回到主振蕩激光器中，保護(hù)主振蕩激光器不受損害。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于遺傳算法的自適應(yīng)校正激光器像差的裝置，其特征在于所述的遺傳算法是一種全局尋優(yōu)算法，它以小孔光闌后的光電探測器探測到的光強(qiáng)信號作為適應(yīng)度函數(shù)，利用此函數(shù)作為衡量MOPA固體激光器像差校正效果的目標(biāo)函數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于遺傳算法的自適應(yīng)校正激光器像差的裝置，其特征在于所述的用來測量固體激光器出光功率的功率計(13)的響應(yīng)范圍從微瓦級到百瓦級。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于遺傳算法的自適應(yīng)校正激光器像差的裝置，其特征在于所述的光電探測器(17)的響應(yīng)波段范圍廣，對可見光和紅外光都能響應(yīng)，其中對近紅外光所對應(yīng)的波段響應(yīng)最靈敏。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于遺傳算法的自適應(yīng)校正激光器像差的裝置，其特征在于所述的光電探測器(17)是光電二極管陣列、或光電耦合器件。
全文摘要
一種基于遺傳算法的自適應(yīng)校正激光器像差的裝置，由主振蕩激光器，光學(xué)隔離器，功率放大器，P方向偏振片，1/4波片，平行光管，變形鏡，功率計，變密度衰減盤，分光鏡，光電探測器，高壓放大器，數(shù)據(jù)采集卡，聚焦透鏡，小孔光闌，主控計算機(jī)以及基于遺傳算法的控制軟件系統(tǒng)組成。本發(fā)明能夠自適應(yīng)地校正激光器系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)像差，尤其適合校正靜態(tài)像差和變化不快的準(zhǔn)靜態(tài)像差；能在不降低激光器輸出功率的情況下有效地改善激光器的輸出光束質(zhì)量，提高輸出光束的遠(yuǎn)場光斑能量集中度，擴(kuò)大這種由主振蕩激光器加功率放大器(MOPA)的固體激光器的應(yīng)用領(lǐng)域。
文檔編號H01S3/00GK1904712SQ20061008898
公開日2007年1月31日 申請日期2006年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月28日
發(fā)明者楊平, 胡詩杰, 楊偉, 陳善球, 許冰, 姜文漢 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所