激光损伤硅基或锗基光学元件表面形貌数字化表征方法技术

本发明专利技术提供了一种激光损伤硅基或锗基光学元件表面形貌数字化表征方法，以解决现有方法仅能定性描述损伤形貌、表征结果不足以支持后续系统输出特性分析，或者虽然能完整获取损伤表面信息但数据量过大的问题。本发明专利技术首先对光学元件的损伤表面进行三维形貌测试，获取完整的三维表面数据，然后利用高斯函数进行二维空间滤波；再利用类sinc函数对损伤形貌曲面的空间截面内的曲线进行拟合，得到拟合目标函数及参数解集U1、U2、U3和U4；随后在参数集U1、U2、U3、U4中随机构造参数向量[A0，B0，C0，D0]，将该参数向量代入前述拟合目标函数即可得到能够表征损伤形貌的曲线。本发明专利技术仅需少量参数对复杂的三维损伤形貌特征进行近似、较完整地表征。

Digital Characterization of Surface Morphology of Laser Damaged Silicon-based or Germanium-based Optical Elements

The present invention provides a digital characterization method for the surface topography of laser damaged silicon or germanium-based optical elements to solve the problem that the existing methods can only qualitatively describe the damage topography, and the characterization results are not enough to support the output characteristic analysis of subsequent systems, or that the damage surface information can be obtained completely, but the amount of data is too large. Firstly, the three-dimensional topography of the damaged surface of the optical element is tested to obtain the complete three-dimensional surface data, and then the two-dimensional spatial filtering is carried out by using the Gauss function. Then, the sinc-like function is used to fit the curves in the spatial section of the damaged topographic surface, and the fitting objective function and the parameter solution sets U1, U2, U3 and U4 are obtained. Then, the parameters set U1, U2, U3 and U4 are randomly selected. The parameter vectors [A0, B0, C0, D0] are constructed and substituted into the aforementioned fitting objective function to obtain the curve that can characterize the damage morphology. The present invention only needs a few parameters to approximate and complete characterization of complex three-dimensional damage morphology characteristics.

【技术实现步骤摘要】
激光损伤硅基或锗基光学元件表面形貌数字化表征方法
本专利技术涉及一种激光损伤硅基或锗基光学元件表面形貌数字化表征方法。
技术介绍
对于高能激光系统以及光电系统，强激光作用过程中极易对系统中的光学元件造成损伤，进而影响系统的性能。目前在激光损伤硅基或锗基光学元件表面形貌特征进行分析评价方面，有三种方法：第一种是利用Normarski显微镜或原子力显微镜进行测量，用几何形态学对损伤形貌进行定性描述，常见的描述类型有miro-pits、shell-likecracks、crater等；第二种是采用损伤直径和损伤深度进行表征；第三种是利用激光共聚焦显微镜或白光干涉仪对表面进行三维测量，获取完整的三维表面数据。以上方法均存在一定的不足：第一种方法只能定性描述损伤形貌，定性描述结果无法应用于后续系统输出特性分析；第二种方法仅从损伤直径和深度两个维度表征损伤形貌，表征结果不足以支持后续系统输出特性分析；第三种方法虽然能完整获取并表征损伤光学元件表面形貌，但数据量过大，给后续的分析利用造成不便。
技术实现思路
为解决现有激光损伤硅基或锗基光学元件表面形貌特征评价方法仅能定性描述损伤形貌、表征结果不足以支持后续系统输出特性分析，或者虽然能完整获取损伤表面信息但数据量过大的技术问题，本专利技术提供了一种激光损伤硅基或锗基光学元件表面形貌数字化表征方法，能用少量参数对复杂的三维损伤形貌特征进行较完整表征，表征结果一方面可以用作对损伤后系统输出特性分析，另一方面也能够从理论上指导损伤修复形貌设计，指导修复工艺的改进和完善。本专利技术的专利技术构思是：首先对光学元件的损伤表面进行三维形貌测试，获取完整的三维表面数据，然后利用高斯函数进行二维空间滤波；由于常见激光光斑为高斯光斑，其在远场的二维分布为贝塞尔函数，因而利用类sinc函数对损伤形貌曲面的空间截面内的曲线进行拟合，得到拟合目标函数及参数解集U1、U2、U3和U4；随后在构造的参数集U1、U2、U3、U4中相应随机生成A0、B0、C0、D0，构造参数向量[A0，B0，C0，D0]，将该参数向量[A0，B0，C0，D0]代入前述拟合目标函数即可构造能够表征损伤形貌的曲线。如果表面损伤是超高斯光斑造成的，则可利用矩形阶跃函数进行拟合，此时只需利用相应的两个参数构成参数集。本专利技术的技术解决方案是：激光损伤硅基或锗基光学元件表面形貌数字化表征方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：1)获取三维形貌数据对激光辐照受损的待表征光学元件进行三维形貌测试，获取完整的三维形貌数据；2)获取损伤形貌曲面：对所述三维形貌数据进行二维高斯滤波，得到损伤形貌曲面；3)获取截线数据3.1)以待表征光学元件的损伤区域中心为原点O，以过原点O且平行于所述待表征光学元件底面所在平面为xOy面，以过原点O且平行于所述待表征光学元件厚度方向为z轴方向，建立空间坐标系；3.2)选取过z轴与xOy面垂直，并且与x轴方向夹角为θ的平面，与步骤2)获得的损伤形貌曲面相交，获取不同θ角度相应的截线数据；4)参数拟合根据不同截线数据，利用类sinc函数对所述截线数据进行参数拟合，得到拟合目标函数：A、B、C、D为高斯光斑所导致的损伤表征参数；5)构造参数实数解集从拟合目标函数中，选择其中的极值(Amin、Amax)、(Bmin、Bmax)、(Cmin、Cmax)和(Dmin、Dmax)，分别构造相应的参数实数解集U1、U2、U3和U4：U1＝{x|Amin≤x≤Amax,x∈R}；U2＝{x|Bmin≤x≤Bmax,x∈R}；U3＝{x|Cmin≤x≤Cmax,x∈R}；U4＝{x|Dmin≤x≤Dmax,x∈R}；6)构造参数向量基于步骤5)构造的参数实数解集U1、U2、U3和U4，随机构造任意一组参数向量[A0，B0，C0，D0],其中，A0∈U1,B0∈U2,C0∈U3,D0∈U4；7)获取表征曲线y0利用所述步骤6)构造的参数向量[A0，B0，C0，D0]，代入所述拟合目标函数，得到能够所述待表征光学元件表面损伤形貌的表征曲线y0：进一步地，步骤1)中所述的三维形貌测试是利用激光共聚焦显微镜或白光干涉仪实现的。本专利技术还提供了另一种激光损伤硅基或锗基光学元件表面形貌数字化表征方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：1)获取三维形貌数据对激光辐照受损的待表征光学元件进行三维形貌测试，获取完整的三维形貌数据；2)获取损伤形貌曲面：对所述三维形貌数据进行二维高斯滤波，得到损伤形貌曲面；3)获取截线数据3.1)以待表征光学元件的损伤区域中心为原点O，以过原点O且平行于所述待表征光学元件底面所在平面为xOy面，以过原点O且平行于所述待表征光学元件厚度方向为z轴方向，建立空间坐标系；3.2)选取过z轴与xOy面垂直，并且与x轴方向夹角为θ的平面，与步骤2)获得的损伤形貌曲面相交，获取不同θ角度相应的截线数据；4)参数拟合根据不同截线数据，利用矩形阶跃函数函数对所述截线数据进行参数拟合，得到拟合目标函数：M、N分别平顶光斑所导致的损伤表征参数，R0为损伤区域的半径；5)构造参数实数解集从步骤4)得到的拟合目标函数中，选择其中的极值(Mmin、Mmax)、(Nmin、Nmax)，分别构造相应的参数实数解集Q1、Q2：Q1＝{x|Mmin≤x≤Mmax,x∈R}；Q2＝{x|Nmin≤x≤Nmax,x∈R}；6)构造参数向量基于步骤5)构造的参数实数解集Q1、Q2，随机构造任意一组参数向量[M0，N0],其中，M0∈Q1,N0∈Q2；7)获取表征曲线y0利用所述步骤6)构造的参数向量[M0，N0]，代入所述拟合目标函数，得到能够所述待表征光学元件表面损伤形貌的表征曲线y0：进一步地，步骤1)中所述的三维形貌测试是利用激光共聚焦显微镜或白光干涉仪实现的。本专利技术的有益效果：1、本专利技术方法简单、原理可靠，无需构建离散点的三维测量结果，仅需少量参数构造的表征曲线对复杂的三维损伤形貌特征进行近似、较完整地表征，表征结果可用于计算系统下游光场以及指导损伤修复形貌设计。2、相比于
技术介绍
中提及的用几何形态学对损伤形貌进行定性描述，和采用损伤直径和损伤深度进行表征的方法，本专利技术能够使用具体的数学模型对损伤形貌进行表征，提高了损伤形貌后续的可用性，而与
技术介绍
中提及的三维测量获取表面损伤形貌的方法相比，本专利技术能够极大减少在后续分析中的数据量。附图说明图1为本专利技术的流程图；图2为本专利技术在损伤光学元件表面构建的空间坐标以及构造的截线的示意图；图3为本专利技术实施例中θ在0°～180°范围内的拟合参数A、B、C、D变化范围，其中a为参数A的变化范围，b为参数B的变化范围，c为参数C的变化范围，d为参数D的变化范围；图4为本专利技术实施例得到的表征曲线y0；图5为本专利技术实施例随机产生的损伤形貌与θ在0°～180°范围截线误差的RMS(均方根)值；具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明。参见图1，本专利技术所提供的激光损伤硅基或锗基光学元件表面形貌数字化表征方法，具体包括以下步骤：步骤1：获取三维形貌数据：在保证测试环境稳定的条件下(即非振动条件)，利用激光共聚焦显微镜或白光干涉仪，对激光辐照受损的待表征光学元件(硅基光学元件或锗基光学元件)进行三维形貌测试，获取完整的三维形貌数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.激光损伤硅基或锗基光学元件表面形貌数字化表征方法，其特征在于，包括以下步骤：1)获取三维形貌数据对激光辐照受损的待表征光学元件进行三维形貌测试，获取完整的三维形貌数据；2)获取损伤形貌曲面：对所述三维形貌数据进行二维高斯滤波，得到损伤形貌曲面；3)获取截线数据3.1)以待表征光学元件的损伤区域中心为原点O，以过原点O且平行于所述待表征光学元件底面所在平面为xOy面，以过原点O且平行于所述待表征光学元件厚度方向为z轴方向，建立空间坐标系；3.2)选取过z轴与xOy面垂直，并且与x轴方向夹角为θ的平面，与步骤2)获得的损伤形貌曲面相交，获取不同θ角度相应的截线数据；4)参数拟合根据不同截线数据，利用类sinc函数对所述截线数据进行参数拟合，得到拟合目标函数：

【技术特征摘要】
1.激光损伤硅基或锗基光学元件表面形貌数字化表征方法，其特征在于，包括以下步骤：1)获取三维形貌数据对激光辐照受损的待表征光学元件进行三维形貌测试，获取完整的三维形貌数据；2)获取损伤形貌曲面：对所述三维形貌数据进行二维高斯滤波，得到损伤形貌曲面；3)获取截线数据3.1)以待表征光学元件的损伤区域中心为原点O，以过原点O且平行于所述待表征光学元件底面所在平面为xOy面，以过原点O且平行于所述待表征光学元件厚度方向为z轴方向，建立空间坐标系；3.2)选取过z轴与xOy面垂直，并且与x轴方向夹角为θ的平面，与步骤2)获得的损伤形貌曲面相交，获取不同θ角度相应的截线数据；4)参数拟合根据不同截线数据，利用类sinc函数对所述截线数据进行参数拟合，得到拟合目标函数：A、B、C、D为高斯光斑所导致的损伤表征参数；5)构造参数实数解集从拟合目标函数中，选择其中的极值(Amin、Amax)、(Bmin、Bmax)、(Cmin、Cmax)和(Dmin、Dmax)，分别构造相应的参数实数解集U1、U2、U3和U4：U1＝{x|Amin≤x≤Amax,x∈R}；U2＝{x|Bmin≤x≤Bmax,x∈R}；U3＝{x|Cmin≤x≤Cmax,x∈R}；U4＝{x|Dmin≤x≤Dmax,x∈R}；6)构造参数向量基于步骤5)构造的参数实数解集U1、U2、U3和U4，随机构造任意一组参数向量[A0，B0，C0，D0],其中，A0∈U1,B0∈U2,C0∈U3,D0∈U4；7)获取表征曲线y0利用所述步骤6)构造的参数向量[A0，B0，C0，D0]，代入所述拟合目标函数，得到能够所述待表征光学元件表面损伤形貌的表征曲线y0：2.根据权利要求1所述的激光损伤硅基或锗基光学元件表面形貌数字化表...

【专利技术属性】
技术研发人员：师宇斌，张检民，窦鹏程，张震，李云鹏，徐作冬，
申请(专利权)人：西北核技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61