[发明专利]一种利用分形结构提取紫外至红外激光光斑的方法

说明书

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。

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。