CN111272217B - 一种利用分形结构提取紫外至红外激光光斑的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用分形结构提取紫外至长波红外激光光斑的方法。该方法利用光的波动性对波长进行分辨：同一波长的电磁波对不同尺度的结构的反射及透射不同，不同波长的电磁波对某一特定尺度的结构的反射及透射也不同。该方法还利用了分形结构的自相似性，来构造分别适用于超宽光谱的结构，并将电磁波对不同尺度的结构的反射的不同转化为了空间位置的不同。通过测量不同位置的反射特征，并结合分形结构的自相似性理论，对数据进行分析，得到激光光斑大小信息、激光波长信息。通过对多个水平方向的测量，可以得到激光的光斑形状。本专利的优点是结构简单，可以提取波长从70nm到14μm范围内的激光波长和光斑尺寸信息。

Description

一种利用分形结构提取紫外至红外激光光斑的方法

技术领域

本发明涉及激光波长与光斑信息提取的一种技术，具体是指一种利用分形结构提取紫外至红外激光光斑的方法，适用于测量激光光斑大小信息、激光波长信息。

背景技术

自爱因斯坦提出辐射的A-B系数理论开始，激光技术的理论基础不断向前推进。直到1953年，美国物理学家查尔斯·哈德·汤斯同他的学生阿瑟·肖洛共同制成了第一台微波激光器，并获得了具有较高相干度的微波激光。而后，激光技术逐渐应用到了许多应用领域。目前，激光技术已经在工业加工、医学、土木工程、航天、军事、科学研究等诸多领域均有着广泛的应用，起到了越来越不可替代的作用。

激光光斑形状信息是激光的重要参量之一。工业加工领域的激光加工制造精度，科研领域中基于激光激发的微区性质表征手段的分辨率，以及军事上的激光定位精度等信息均依赖于激光光斑的尺寸信息。因此，激光光斑信息提取技术具有重要的应用价值。

目前，对于激光光束尺寸的测量方法主要有套孔法、刀口法、CCD法、扫描狭缝法等方法。对于激光光斑较大的情况，套孔法、刀口法和扫描狭缝法测试仪器结构简单，且其测得数据具有较为清晰的物理意义，从而具有一定优势。在激光光斑大小与波长相近时，可以选择刀口法、扫描狭缝法和CCD法进行激光光斑的形状测量，得到较为精确的激光光强形貌信息。在光斑较小时，刀口法结构较为复杂，要求刀片足够薄，以满足测试精度要求。目前，由于光电转换、像元尺寸较大等原因，CCD法仍难以对中远红外激光进行有效的测量，从而限制了其在红外领域的应用。

本发明提出了一种基于分形结构的光斑信息提取技术。由于分形结构的自相似性，可以保证波长在70nm到14μm范围内的激光光斑信息的提取，并使用碲镉汞单像元红外探测器为光电转化结构，解除了CCD法无法对中远红外进行有效测量的问题。基于波动光学的模拟结果保证了激光光斑大小与波长接近时，分形结构仍然能对光斑大小进行有效区分，从而可以适用于基于激光激发的微区性质表征手段中的光斑检测等应用。

发明内容

本发明提供了一种基于分形结构与电磁波相互作用，通过测量特定方向上的反射、透射或散射波强度，经数据处理，得到激光的波长、光斑尺寸的方法。由于光的波动性本质，同一波长的电磁波对不同尺度的结构的反射及透射不同，不同波长的电磁波对某一特定尺度的结构的反射及透射也不同。并以此为依据，得到与多个不同尺度的结构进行相互作用的反射率的理论模型，对得到的数据进行拟合。该方法还利用了分形结构的自相似性，来构造分别适用于超宽光谱的结构，并将电磁波对不同尺度的结构的反射的不同转化为了空间位置的不同。通过测量不同位置的反射特征，并结合分形结构的自相似性理论，对数据进行分析，得到激光光斑大小信息、激光波长信息。通过对多个水平方向的测量，可以得到激光的光斑形状。依据分形结构不同位置具有不同特征尺度的特点提取出的不同空间位置的反射(或透射、特定方向的散射)率，同激光光斑空间强度信息的卷积即为探测器探测到的光强信息。经数据处理，即可得到光斑的尺寸信息。

测试装置为：半透半反镜、分形结构、位移平台、探测器。分形结构为变形的Cantor集，由分形理论可得图2中结构的维度为D＝1+ln2/ln2.5≈1.7565，从图中可见，分形结构对于x＝0点中心对称。由分形理论，中心对称的Cantor集的分形维度唯一确定分形结构。分形结构的高度信息如图3所示，阴影部分为蒸发的10nm厚的多晶金薄膜，其余部分为裸露的单晶硅衬底。分形结构的结构横向大小为19.6μm。如图2所示，分形结构对于x＝0点中心对称，故只记录从0μm 开始的数据，其中固定高斯光束束腰半径为w₀＝2.25μm，并使之聚焦于分形图案平面。本方法的操作步骤为：

1.待测激光经过半透半反镜的反射，沿分形结构平面的法线方向入射到分形结构上；分形结构的位移平台控制分形结构沿x方向移动，使激光光斑落到分形结构的不同位置，沿图一x轴方向步进扫描，获得不同x位置的反射波R₀(x)；反射波经半透半反镜，透射并入射单像元长波碲镉汞探测器上，获得正比于反射波光强的电信号I₀(x)；

2.将位移平台在xOy面内分别转动60°和120°，并归位分形结构。重复进行步骤2和步骤3，获得另外两个方向的反射波光强信号I₁(x)与I₂(x)；

3.由结构的中心对称性，得到测得的I₀(x)的对称中心位置，即得到了x与分形结构绝对位置的平移关系；

4.设硅衬底的反射率为r，金薄膜的反射率为r’，则分形结构表面的反射率 R即表达为r与r’的分段函数。引入各个部分的点扩散函数PSF(point spread function)，则反射波的信号可以表达为点扩散函数PSF与分形结构反射率R之间的卷积PSF*R。经化简，即可得到仅包含有限拟合参量的目标函数T(x)，使用Levenberg-Marquardt优化算法，拟合得到激光波长及沿x轴方向的高斯光束束腰宽度；

5.对I₁(x)与I₂(x)重复步骤5及步骤6，得到60°和120°方向上的高斯光束束腰宽度，代入椭圆高斯光束方程，得激光光斑的长轴和短轴。

本专利的巧妙之处是利用了光的波动性，当散射元(金属薄膜)的特征长度远小于电磁波的波长时，散射元与电磁波的相互作用等价于一个具有有效介电常数的介质材料，而这个介质材料的性质又可以通过分形理论，将分形维度与有效介电常数进行关联。将分形结构等价为具有特定介电常数的散射元是理论模型建立与数据处理的基础，如不使用分形结构的这一自相似特性，则需使建立数据库，不但会导致复杂的模拟计算，更会影响测量精度。从而，本专利具有将分形理论与电磁波波动性进行对应，巧妙得到激光光斑几何信息及波长的优势。

本专利的优点是结构简单，并且可以通过电磁波与结构的相互作用，提取从70nm到14μm超宽范围内的激光波长和光斑尺寸信息。

附图说明

图1为装置示意图。图中：1为透镜、2为碲镉汞单元红外探测器、3为半透半反镜、4为透镜、5为薄层金属分形光栅结构。

图2为薄层金属分形光栅结构的俯视示意图。5.1为薄层金属分形光栅结构的金属结构部分、5.2为薄层金属分形光栅结构的衬底。

图3为薄层金属分形光栅结构的纵向剖面图。阴影部分为蒸发的多晶金薄膜。

图4为在不同波长λ情况下，分形图案沿x方向移动所获得的反射波归一化后的结果。

图5为在不同束腰半径w₀情况下，固定激光波长为λ＝2μm，分形图案沿x 方向移动所获得的反射波归一化后结果。

图6为在长波方向极限波长14μm附近，改变波长λ与束腰半径w₀情况下，分形图案沿x方向移动所获得的反射波归一化后结果。

图7为在短波方向极限波长70nm附近，改变波长λ与束腰半径w₀情况下，分形图案沿x方向移动所获得的反射波归一化后结果。

图8为在不同位置处的光斑的归一化反射率，与使用本专利中所述方法拟合得到结果后反推出的归一化反射率的对比图。

图9为激光波长为不同估计值时，本专利所述范数的偏离程度的计算结果。

图10为沿不同方向测试后，本专利中所述方法拟合出的椭圆高斯光束的光斑形状。

具体实施方式

下面按照上述讨论，以波长为70nm的激光，光斑116nm的情况为例，对本发明的具体实施方式作详细说明：

1.待测激光经过半透半反镜的反射，沿分形结构平面的法线方向入射到分形结构上；分形结构的位移平台控制分形结构沿x方向移动。由于波长为70nm，接近最小结构尺寸，故只需要在最小的一对金属结构附近进行扫描，取x＝0.743μm的位置为新的坐标x’的原点，扫描从x’＝0nm到 x’＝500nm的区间。使激光光斑落到分形结构的不同位置，沿图一x轴方向步进扫描，获得不同x位置的反射波R₀(x)；反射波经半透半反镜，透射并入射单像元长波碲镉汞探测器上，获得正比于反射波光强的电信号 I₀(x)；

2.设硅衬底的反射率为r，金薄膜的反射率为r’，则分形结构表面的反射率 R即表达为r与r’的分段函数。引入各个部分的点扩散函数PSF(point spread function)，则反射波的信号可以表达为点扩散函数PSF与分形结构反射率R之间的卷积PSF*R。经化简，即可得到仅包含有限拟合参量的目标函数T(x)，使用Levenberg-Marquardt优化算法，拟合得到激光波长及沿x轴方向的高斯光束束腰宽度。拟合软件使用Origin 2018，拟合结果如图8所示，高斯光束束腰半径为

将拟合得到的束腰半径代入COMSOL 5.4中，使用COMSOL 5.4的波动光学模块，计算不同波长在x’＝0nm到x’＝500nm的区间内的反射率，使用范数：

对数据的偏离程度进行表征，得到相关性为如图9所示。得到波长为72 nm。

3.将位移平台在xOy面内分别转动60°和120°，并归位分形结构。重复进行步骤2和步骤3，获得另外两个方向的反射波光强信号I₁(x)与I₂(x)。对 I₁(x)与I₂(x)重复步骤5及步骤6，得到60°和120°方向上的高斯光束束腰宽度，代入椭圆高斯光束方程，得激光光斑的长轴和短轴，拟合结果如图 10所示。

Claims (1)

1.一种利用分形结构提取紫外至长波红外激光光斑的方法，本方法是基于分形反射结构、半透半反镜及探测器的测试装置实现的，所述的测试装置包括透镜、半透半反镜、分形结构、位移平台、探测器，其特征在于方法步骤如下：

1)激光经过半透半反镜反射，并入射到分形结构上，调节高斯光束束腰，使之始终聚焦于分形图案平面，并通过分形结构的位移平台控制，沿x轴方向步进扫描，获得不同x位置的反射波；反射波经半透半反镜，透射并入射到单像元长波碲镉汞探测器上，获得正比于反射波光强的电信号，经数据处理，可得到光斑的波长信息及尺寸信息；

2)利用具有分形性质的结构对激光光斑进行信息提取，并通过数据处理得到激光光斑的尺寸信息，提取的信息包括反射波、透射波及特定方向的散射波的光强信息数据，利用分形结构的自相似性，将分形结构的单元尺寸信息转化为水平方向的位移；

3)利用电磁波的波动性，用多个不同尺寸大小的结构与激光进行相互作用，用于提取反射波、透射波或特定方向的散射波的光强信息；利用分形结构的自相似性，达到适用于宽波长范围的激光的目的。

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