一种维持飞秒激光器最小脉宽输出的方法与流程

1.本发明属于光电技术领域，尤其涉及一种维持飞秒激光器最小脉宽输出的方法。


背景技术：

2.啁啾脉冲放大是一种产生高能量飞秒脉冲的主要技术手段，大致原理，如图5所示。飞秒种子源产生的低能量飞秒脉冲经过展宽器将脉冲展宽，用以减小放大过程中引入的非线性效应，在经过放大后使用光栅对进行脉冲压缩，然后输出高能量飞秒脉冲。输出脉宽最小是飞秒激光器的理想工作状态，此时能量可以聚集在极短的时间内释放，带来极高的峰值功率。
3.实验中，压缩光栅对之间的间隔会直接影响最终的输出脉冲宽度，因此，如何调节压缩光栅对之间的间隔使得输出脉宽最小对飞秒激光器而言至关重要。传统的调节方式均基于手动实现，具体而言，通过手动调节光栅对间隔，然后利用昂贵的飞秒脉冲测试设备对输出的脉宽进行测试，如此反复直至输出脉宽最小。
4.因为外部环境的变化(如温度、湿度和机械振动等)和整个系统中设备的不稳定性(如放大级中泵浦电流的抖动等)，达到最小脉宽所需的压缩量也会发生变化。手动调节方法工作量大，效率低，稳定性和重复性差。每次重启开机后，参数调节优化的时间通常以天为单位，且无法保证获得最小脉宽输出。


技术实现要素：

5.本发明为了解决上述现有技术中存在的缺陷和不足，提供了一种基于控制反馈，结合了光学方法和动态极值搜索控制算法，通过算法驱动电机自动调整光栅对间隔，能够让飞秒激光器维持最小脉宽输出，改变目前通过手动调节来实现最小脉宽的局面，提升效率和可靠性的维持飞秒激光器最小脉宽输出的方法。
6.本发明的技术方案：一种维持飞秒激光器最小脉宽输出的方法，步骤如下：飞秒激光器的输出首先经过一个非线性晶体，获取谐波信号，因为非线性晶体的谐波转换效率对输入信号的峰值功率十分敏感，只有当输入飞秒脉冲脉宽最小、峰值功率最大时，才能在晶体后获得最大功率的谐波信号，从而通过利用反馈控制使得谐波信号功率最大，让飞秒激光器的输出脉宽最小。
7.优选地，一种维持飞秒激光器最小脉宽输出的方法，具体过程如下：在对谐波信号进行平均功率探测后，通过动态极值搜索控制算法对探测到的功率进行分析后，驱动电机对光栅对间隔进行自动调整，如此反复直至飞秒激光器的输出脉宽最小。
8.优选地，当外部环境发生变化后，飞秒激光器输出的脉宽变化会引起谐波信号平均功率的变化，从而被动态极值搜索控制算法捕捉到，算法会驱动电机重新自动搜索最佳的光栅间隔，有效地对抗环境的变化，提升飞秒激光器的鲁棒性。
9.优选地，动态极值搜索控制算法如下，首先，在随机的初始点x0的基础上加上一个正弦抖动信号，幅度为a，因为正弦抖动信号的存在，目标函数值也会存在一个带有直流分
量y0的抖动，其中y0＝f(x0)，f(x)表示目标函数，随后，将这个抖动的目标函数值经过一个高通滤波器，得到一个不带直流分量的目标函数抖动信号；然后，将滤波后的信号与施加在x0上的正弦抖动信号逐点相乘，再对相乘后的信号进行积分，就能获得一个小于0的δx，用于更新变量，经过正增益k的放大后，叠加到x0上，获得新的变量x1，x1比x0更加靠近目标函数的极大值，如此迭代，直至变量抵达极大值点，当初始点x0位于极大值左侧时，同理可以获得一个大于0的δx将变量朝极大值点推进，当变量抵达极大值点后，每次迭代获得的δx很小，从而稳定在极大值附近；在此过程中，对a和k进行动态更新。
10.优选地，a和k的动态更新过程如下：首先建立一定长度的窗口，来循环存储历史的目标函数值，通过计算该窗口内历史目标函数值的极差δy来获得每次迭代中需要的a和k，其中βa和βk为两个超参数，当变量远离极大值点时，历史窗口的极差δy较大，保证算法获得更大的a和k，帮助变量更快地逼近极大值点；当变量靠近极大值点时，历史窗口的极差δy较小，此时a和k会相应变小，有助于算法收敛。
11.本发明基于控制反馈，结合了光学方法和动态极值搜索控制算法，通过算法驱动电机自动调整光栅对间隔，能够让飞秒激光器维持最小脉宽输出，改变目前通过手动调节来实现最小脉宽的局面，提升效率和可靠性。
附图说明
12.图1为本发明维持飞秒激光器最小脉冲输出的方法示意图；
13.图2为极值搜索控制结构图；
14.图3为极值搜索控制流程图；
15.图4为本发明中动态极值搜索控制超参数更新示意图；
16.图5为啁啾脉冲放大技术原理图。
具体实施方式
17.下面结合附图对本发明作进一步详细的说明，但并不是对本发明保护范围的限制。
18.本发明所提出的维持飞秒激光器最小脉冲输出的方法原理，如图1所示，飞秒激光器的输出首先经过一个非线性晶体，获取谐波信号，因为非线性晶体的谐波转换效率对输入信号的峰值功率十分敏感，只有当输入飞秒脉冲脉宽最小、峰值功率最大时，才能在晶体后获得最大功率的谐波信号。因此，可以利用反馈控制使得谐波信号功率最大，从而让飞秒激光器的输出脉宽最小。与测量飞秒脉冲的传统方法(如频率分辨光学开关法)相比，这种探测脉冲经过非线性晶体后谐波信号的平均功率的方式在结构上更加简单，虽然无法获取具体的脉宽，但是可以感知最小脉宽。
19.在对谐波信号进行平均功率探测后，动态极值搜索控制算法对探测到的功率进行分析后，驱动电机对光栅对间隔进行自动调整，如此反复直至飞秒激光器的输出脉宽最小。
20.当外部环境发生变化后，飞秒激光器输出的脉宽变化会引起谐波信号平均功率的变化，从而被动态极值搜索控制算法捕捉到，算法会驱动电机重新自动搜索最佳的光栅对间隔，因此，本发明所提出的方法可以有效地对抗环境的变化，提升飞秒激光器的鲁棒性。
21.极值搜索控制的结构如图2所示，算法流程如图3所示，以搜索极大值为例。首先，
在随机的初始点x0(此处假设x0位于极大值的右侧)的基础上加上一个正弦抖动信号，幅度为a。因为正弦抖动信号的存在，目标函数值也会存在一个带有直流分量y0的抖动，其中y0＝f(x0)，f(x)表示目标函数。随后，将这个抖动的目标函数值经过一个高通滤波器，得到一个不带直流分量的目标函数抖动信号。然后，将滤波后的信号与施加在x0上的正弦抖动信号逐点相乘，再对相乘后的信号进行积分，就能获得一个小于0的δx，用于更新变量。经过正增益k的放大后，叠加到x0上，获得新的变量x1。可以看到，x1比x0更加靠近目标函数的极大值，如此迭代，直至变量抵达极大值点。当初始点x0位于极大值左侧时，同理可以获得一个大于0的δx将变量朝极大值点推进。当变量抵达极大值点后，每次迭代获得的δx很小，因此可以稳定在极大值附近。
22.然而，当变量抵达极大值点后，因为要保持对极大值的追踪能力，依然需要在变量上施加正弦抖动，这会造成目标函数值在小范围内抖动。此外，此时每次迭代获得的δx虽然很小，但同样会加剧目标函数值的抖动。正弦抖动幅度a和增益k的设置对极值搜索控制算法的搜索效率和收敛性也十分重要，当a和k较大时，每次探索都能够获得较大的δx，推动变量更快地逼近极大值点，但容易出现越过极大值甚至发散的情况；当a和k较小时，每次探索都获得的δx过小，需要多次迭代才能逼近极大值点，搜索效率低下。
23.为了解决这一问题，本发明提出了动态极值搜索控制，其核心为a和k这两个超参数的动态更新，原理如图4所示。首先建立一定长度的窗口，来循环存储历史的目标函数值，通过计算该窗口内历史目标函数值的极差δy(最大值与最小值之差)来获得每次迭代中需要的a和k，其中βa和βk为两个超参数。当变量远离极大值点时，历史窗口的极差δy较大，保证算法获得更大的a和k，帮助变量更快地逼近极大值点；当变量靠近极大值点时，历史窗口的极差δy较小，此时a和k会相应变小，有助于算法收敛。
24.本发明的主要创新点如下：
25.1.通过探测脉冲经过非线性晶体后谐波信号的平均功率来感知最小脉宽；
26.2.动态极值搜索算法中超参数的动态更新方式；
27.3.在啁啾脉冲放大系统中，使用电机来自动控制光栅对间隔。