Page 103 - 《真空与低温》2025年第4期

518 真空与低温 第 31 卷 第 4 期

为了更简易直观地优化目标函数，本文对目标 因此在本实验中，当初始种群数量为 200 时，该初
函数值进行量化，在多次测试后，选择设目标函数 始种群为良好初始种群的概率仅为 83.6%，将种群
值等于 6 时为临近锁模状态，目标函数大于 6 视作 数量提高为 350 个，概率提升为 95.8%，此时超过
该激光器处于锁模状态，反之代表着失锁状态。同 了 μ±2σ 的概率为 95.45%，基本可以满足实验性能
时由于上述遍历为局部遍历，并非全域遍历，为此本 要求。将种群数量进一步提高至 500 个时，概率则
文在目标函数优化上，额外增加约 20% 的冗余设计。 为 98.9%，其为良好初始种群的概率仅增加了 3.1%，
本文通过提高末段脉冲的峰值大小保持不变 但是种群数量却提高了 42.9%，这大幅增加了每次
这一特征在目标函数中的权重来排除该干扰。经 迭代时计算复杂程度。综上所述，将本文遗传算法
统 计， 在 上 述 偏 振 角 度 下 ， 150～ 600 次 循 环 中 的种群数量由 200 个优化为 350 个，将迭代次数由
H 1 + H 2 50 次优化为 20 次，可有效降低算法陷入非锁模的
最大时，|H 1 -H 2 |的值为 0.199 8，|H 1 +H 2 |的值
|H 1 − H 2 | 局部最优解的概率，同时将运行效率提高了 30%。
为 15.134 7，综上所述，将目标函数优化为：
4 结论
H 1 + H 2
f = （9）
1+10|H 1 − H 2 |
本文构建 NPR 锁模激光器仿真模型，通过在
对新目标函数进行验证，固定 α 2 、α p ，遍历 α 1 、
仿真与实践中对激光器输出的锁模脉冲特征的总
α 3 ，精度为 0.5°，得到遍历结果如图 7（d）所示，其目
结与分析，设计并优化了目标函数，实现了锁模光
标函数最大值为 9.337，运行该目标函数对应的偏
纤激光器自动锁模控制。研究发现：
振器的角度，得到的结果如图 7（e）和图 7（f）所示，
（1）激光器谐振腔体内初始条件白噪声在多数
实现了稳定的基频锁模。
情况下，只会造成相位变化以及谐振腔内脉冲幅值

3.2 遗传算法的性能优化
变化，不会对输出脉冲造成显著影响。
种群数量与迭代次数是遗传算法的重要参数，
（2）NPR 光纤激光器中锁模点在域中分布呈
直接影响算法的性能与效率。由于锁模光纤激光
现出成簇聚集的群落特点，这有利于探索实现长时
器系统具有高非线性、高敏感性，确保该算法拥有
间稳定锁模以及激光器失锁后快速自恢复。
一个良好的初始种群条件，可有效避免其陷入非锁
（3）对于 NPR 光纤激光器这一高非线性系统，
模的局部最优解状况，提升算法的性能。因此在本
使用遗传算法实现锁模控制时，可通过随机采样的
文的遗传算法控制中迭代次数对寻找最优解的影
方式，评估锁模点在全域的占比，优化种群数量，避
响要小于种群数量。本文通过合理地评估锁模域
免陷入非锁模的局部最优解状态。
在全域空间的占比，根据实验对控制的效率与性能
的要求，选择合适的种群数量和迭代次数。 参考文献：
假定种群数量为 N，锁模域在全域的占比为 M，
[1] LI D，REN X，YAN M，et al. Rapid and precise partial pres-
种群中每个个体为非锁模点的概率为（1-M），整个
sure measurement of multiple gas species with mid-infrared
种群全部是非锁模点的概率为（1-M） ，则种群存
N
electro-optic dual-comb spectroscopy[J]. Optik， 2021， 242：
在 1 个乃至多个优良个体的概率为 1-（1-M） 。
N
进行 10 组全域随机采样，每组抽 1 万个点，统 167341.
[2] DAI H，FAN D，REN X，et al. Vacuum partial pressure mea-
计结果如表 1 所列。
surement using low-budget dual comb system[J]. Vacuum，
表 1 采样表 2024，224：113105.
Tab. 1 Sampling table [3] PICQUÉ N，HÄNSCH T W. Frequency comb spectroscopy[J].
Nature Photonics，2019，13（3）：146−157.
采样组 锁模占比/% 采样组 锁模占比/%
1 0.93 6 0.71 [4] NEMITZ N，OHKUBO T，TAKAMOTO M，et al. Frequency
−17
2 0.89 7 1.01 ratio of Yb and Sr clocks with 5×10 uncertainty at 150 seconds
3 0.87 8 0.89
averaging time[J]. Nature Photonics，2016，10（4）：258−261.
4 0.92 9 0.85
[5] BLOOM B J，NICHOLSON T L，WILLIAMS J R，et al. An
5 0.88 10 1.05
optical lattice clock with accuracy and stability at the 10 −18
上述采样统计的锁模域占比，平均值为 0.9%， level[J]. Nature，2014，506（7486）：71−75.