本發明涉及激光領域，具體地說，涉及一種基于sagnac環的全光纖隨機拉曼激光器。

背景技術：

1、在現代科技領域，激光器以其獨特的能力產生高強度、高單色性的光束，成為了科研、工業以及日常生活中不可或缺的重要工具。它們被廣泛應用于各種領域，包括但不限于通信、醫療診斷與治療、材料加工、環境監測等。

2、然而，技術的快速發展和各行業對高精度、高效率工具的需求提升，使得傳統的激光器逐漸無法滿足日益增長的性能要求。特別是在某些特定應用，如長距離光纖通信、精細醫療手術以及高精度的材料加工過程中，對激光器的效率、穩定性、輸出功率以及波長范圍等性能指標都提出了前所未有的高標準。

3、在通信領域，隨著數據量的爆炸式增長，傳統的光通信技術在傳輸速率和距離上逐漸達到瓶頸。

技術實現思路

1、本發明要解決的技術問題在于克服現有技術的不足，提供一種基于sagnac環的全光纖隨機拉曼激光器，通過融合多種智能優化技術，對基于sagnac環的全光纖隨機拉曼激光器進行了全面的性能提升和創新設計，提高了激光器的整體性能。

2、為解決上述技術問題，本發明采用技術方案的基本構思是：

3、一種基于sagnac環的全光纖隨機拉曼激光器，包括：

4、泵浦源模塊，通過模擬退火動態調整泵浦光的功率和波長，以產生泵浦光；

5、光纖耦合器模塊，通過遺傳算法對光纖耦合器進行優化，并根據優化后的光纖耦合器將泵浦光耦合進入光纖傳輸路徑；

6、增益光纖段模塊，用于接收泵浦光，通過粒子群優化算法對增益光纖段的參數進行優化，并產生拉曼散射效應；

7、sagnac環模塊，用于根據拉曼散射效應，采用差分進化算法對sagnac環結構的參數進行優化，并對光信號的循環傳輸和偏振態進行調節，以產生隨機拉曼散射；

8、輸出模塊，用于接收隨機拉曼散射，并通過蟻群優化算法對輸出裝置的設計進行優化，以實現隨機拉曼激光的提取和輸出。

9、優選的，通過模擬退火動態調整泵浦光的功率和波長，以產生泵浦光，包括：

10、確定模擬退火算法的基本參數，包括初始溫度、降溫速率、終止溫度以及每個溫度下的迭代次數，設定泵浦光的初始功率和波長，作為算法的起始搜索點；

11、根據在當前泵浦光功率和波長的基礎上，通過隨機擾動生成新的功率值和波長值，以得到新解；

12、定義目標函數，計算新解的目標函數值，并計算當前解與新解之間的目標函數值差；

13、根據目標函數值差，接受或拒絕新解，并根據設定降溫速率更新進行降溫，以得到最終解；

14、根據最終解，調整泵浦光的功率和波長，以產生泵浦光。

15、優選的，目標函數為：；

16、其中，是泵浦光的輸出功率，是輸出功率的權重系數，是目標的輸入功率與輸出功率的比值，是泵浦效率偏差的權重系數，是目標波長，是波長偏差的權重系數，是波長，是目標函數。

17、優選的，通過遺傳算法對光纖耦合器進行優化，并根據優化后的光纖耦合器將泵浦光耦合進入光纖傳輸路徑，包括：

18、確定光纖耦合器優化目標和性能參數，優化目標包括提高耦合效率、降低插入損耗，性能參數包括耦合器的結構尺寸、材料特性；

19、初始化遺傳算法參數，將光纖耦合器的優化參數進行編碼，形成遺傳算法中的個體，并計算每個個體的適應度值；

20、根據個體的適應度值，通過選擇操作保留優秀個體，通過交叉操作產生新個體，通過變異操作引入新的基因組合，直到達到預定的迭代次數，收斂到最終解；

21、根據最終解，提取光纖耦合器參數組合，調整泵浦光的入射角度、偏振態等參數，將泵浦光耦合進入光纖傳輸路徑。

22、優選的，每個個體的適應度值：；

23、其中，是耦合效率，是插入損耗，是輸入光功率，是耦合進入光纖的光功率，是由于極化狀態不匹配導致的光功率損耗，是反射光功率，是帶寬，、、、和是權重系數，是個體的適應度值。

24、優選的，通過粒子群優化算法對增益光纖段的參數進行優化，并產生拉曼散射效應，包括：

25、確定優化目標與約束條件，優化目標包括最大化拉曼增益和優化增益平坦度，約束條件包括泵浦光的波長范圍、光纖長度和允許的損耗；

26、初始化粒子群，在搜索空間中隨機生成一群粒子，每個粒子代表一個可能的參數組合，每個粒子都有一個位置和一個速度；

27、設置粒子群優化算法的參數，參數包括粒子總數、最大迭代次數、慣性權重、學習因子；

28、計算每個粒子的性能評估值，比較其當前適應度值與歷史性能評估值，以更新個體極值和全局極值，其中，性能評估值是拉曼增益的加權值減去增益平坦度偏差的加權懲罰值；

29、根據粒子當前的速度、個體極值和全局極值，調整粒子的速度和位置；

30、根據粒子的速度和位置，達到最大迭代次數，以實現對增益光纖段的參數進行優化；

31、根據優化后的增益光纖段，產生拉曼散射效應。

32、優選的，根據拉曼散射效應，采用差分進化算法對sagnac環結構的參數進行優化，并對光信號的循環傳輸和偏振態進行調節，以產生隨機拉曼散射，包括：

33、確定優化目標與約束條件；

34、在搜索空間中隨機生成一組個體，每個個體代表一個sagnac環結構參數設置；

35、設置差分進化算法的參數，參數包括種群大小、差分權重因子和交叉概率；

36、對于每個個體，在當前參數組合下的評價值，對種群中的個體進行變異和交叉操作，生成新的候選個體，比較候選個體與原始個體的評價值，選擇適應度值更高的個體進入下一代種群，達到最大迭代次數，則終止迭代，得到最終解；

37、根據最終解，獲取優化的sagnac環結構的參數，并根據參數并對光信號的循環傳輸和偏振態進行調節，以產生隨機拉曼散射。

38、優選的，評價值的計算公式為：；

39、其中，、和是權重系數，是光信號傳輸效率，是偏振態角度的變化率，是積分拉曼散射光譜強度，，，是指數系數，是微小正數，是評價值。

40、優選的，接收隨機拉曼散射，并通過蟻群優化算法對輸出裝置的設計進行優化，以實現隨機拉曼激光的提取和輸出，包括：

41、確定優化輸出裝置設計的具體目標；

42、接收隨機拉曼散射信號，對散射信號進行預處理；

43、隨機生成一組輸出裝置的設計參數組合，作為蟻群搜索的起點，進行蟻群搜索與信息素更新，以輸出最終解；

44、根據最終解，設置輸出裝置的設計參數，以實現隨機拉曼激光的提取和輸出。

45、采用上述技術方案后，本發明與現有技術相比具有以下有益效果：

46、通過模擬退火動態調整泵浦光的功率和波長，可以確保泵浦光以最優的狀態進入增益光纖，從而提高激光器的整體效率和穩定性；通過遺傳算法對光纖耦合器進行優化，可以顯著提高泵浦光與光纖之間的耦合效率，降低光損耗，從而增加激光器的輸出功率；利用粒子群優化算法對增益光纖段的參數進行優化，能夠最大化拉曼增益并優化增益平坦度，進而產生更強的拉曼散射效應，提升激光器的性能；通過差分進化算法優化sagnac環結構的參數，可以有效地調節光信號的循環傳輸和偏振態，進一步改善光信號的傳輸質量，并產生更穩定的隨機拉曼散射；蟻群優化算法的應用使得輸出裝置的設計得到優化，能夠更高效地提取和輸出隨機拉曼激光，提高了激光器的實用性和可靠性；該激光器設計針對的波長范圍，這一范圍在通信、醫療、材料加工等多個領域具有廣泛應用。