PDF《大口径铜蒸气激光“黑心”的优化消除 ！》

大口径铜蒸气激光 黑心 的优化消除! 程成何赛灵 (浙江大学现代光学仪器国家重点实验室光及电磁波研究中心, 杭州 ! # # $ % ;

杭州师范学院物理系, 杭州 ! # # $ ) 国家自然科学基金 (批准号: ! &

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% # $ $ # ) 资助的课题'

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年 #月 #日收到;

$ # # #年$月 !日收到修改稿) 应用遗传算法, 以激光束径向光强无 黑心 的最大输出功率为目标函数, 整体优化设计了百瓦量级铜蒸气激 光系统的激光头以及放电电路'

脉冲放电电场的趋肤效应导致 黑心 , 但可通过选择合适的激光管半径、 长度以及 ! 电路参数等, 来消除或改善 黑心 现象'

同时, 激光功率也可大幅度提高'

关键词:铜蒸气激光,黑心,遗传算法,优化 ! # # : ( $ ) ) 引言自终止型铜蒸气激光 (* + , ) 作为一种应用很广 的高功率、 高效率、 脉冲重复频率连续可调的激光 器, 已经受到人们的注意'

近年来, 人们开展了许多 关于* + ,的研究工作, 例如:建立并发展了自洽的 * + ,计算机动力学模型[ ―(],用遗传算法优化*+,放电电路的! 参数 [ ) ] , - $.

- * / .0 1混合缓 冲气体对激光强度的影响 [

2 ] , 新型短波长紫外铜离 子激光 [ % ] , 等等'

人们在寻求增大激光功率和提高 效率的同时, 也在寻求具有优良输出光束的途径'

发展高功率铜蒸气激光器的一条有效途径是增 加激光增益体积, 即增大放电管口径和长度'

但是, 增加长度要受到放电闸流管耐压阈的限制, 增大激 光管口径又会使电场的趋肤效应严重, 从而使激光 束的 黑心 变得明显'

因而, 如何在增加激光功率的 同时, 又能消除 黑心 , 是一个重要的问题'

由于铜 激光器是一个光、 电、 热、 气等组成的复杂的综合性 系统, 其中可以调节和变化的参量很多, 因此, 企图 仅仅通过实验来寻找既能提高激光功率, 又可消除 黑心 的最佳工作条件十分困难'

近年来, 一些全局优化方法已经被应用于许多 领域'

与传统的梯度优化方法不同, 全局优化方法没 有 局部最小 (大) 的问题'

其中一种全局优化方法 是遗传算法 [

3 , &

] , 它的思想来源于自然界的基因组 合和优化原理'

由于遗传算法思想新颖, 全局搜索, 并且计算机程序也较简单, 因而近年来得到了很大 的推广和应用'

文献 [ ) ] 以激光输出最大功率为目标函数, 用遗 传算法优化设计和计算了 * + , 放电电路的(个! 参数'

本文在此基础上, 考虑百瓦量级的整个 * + ,激光系统 (包括激光头和放电电路两个部分) , 以无 (或弱) 黑心 输出的最大激光功率为目标函 数, 应用遗传算法, 对*+,系统的3个参数进行优 化设计'

经过数十代的优化计算, 设计并确定了 * + ,激光头以及放电电路的最佳电气及几何参 数等'

$ 优化设计原理 $ % &

# '

(放电电路和电场方程 典型的铜蒸气激光脉冲充放电等效电路示于图 # 图 中, $ % 为激光头两个电极之间的等离子体电 阻# % 为储能电容, 由一高压源

4 *周期性地充电 至&

#, '

为峰化电容, 用来加快放电脉冲前沿# ! % 和! '

为系统的等效电感, ! % 主要包括充氢闸流管 的内电感、 分布电感等# ! '