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科普分享|衍射光學元件（DOE）
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來源：公眾號：光學與半導體綜研
衍射光學元件（Diffractive Optical Elements) ，簡稱DOE，又稱二元光學器件，主要用于激光束整形，比如均勻化、準直、聚焦、形成特定圖案等。采用衍射光學元件進行光束整形是近年發展起來的非常方便、靈活、功能強大的光束整形方式。DOE可適用于多種類型的輸入激光（如單模高斯激光、多模激光等），在激光焦面上形成指定的光斑形狀和光強分布，還可以實現在激光傳播方向特定的光強分布。典型的功能包括：產生平頂分布圓光斑或矩形光斑；產生線形分布光斑；將非均勻多模激光進行勻化；產生環形以及多環等光斑分布；產生一維、二維多束激光分布；在傳輸方向上形成多焦點以及長焦深分布等。隨著國內外市場對激光光束變換的迫切需求，基于衍射光學的各類解決方案越來越受到市場的重視，尤其在平頂整形領域，多焦點切割等方面應用擁有核心自主知識產權。不僅如此，諸如分束、勻光、長焦深、渦旋光束、點陣、特征圖形等元件及模塊在各領域也有重要應用。
衍射（Diffraction）是光“繞開”障礙物傳播的現象，也叫繞射。幾何光學認為光在均勻介質中沿直線傳播，所以繞射有悖于幾何光學對光路的預測。但繞射的原理其實也很好理解，光既然是一種波，我們可以用聲波來類比它，波前上任一點都可以是一個源，產生出新的波形繼續向外傳播，因此“繞開”障礙物的光相當于是波前上的點“衍生”出來的，這就是把這種現象叫做衍射的理由。關于衍射原理可參考上一篇文章《激光器專題（八）：光學諧振腔的理論知識》中提到的惠更斯菲涅爾衍射理論。DOE的光學整形原理就是基于光波的衍射現象。傳統的光學元件，如透鏡和反射鏡，主要是通過折射和反射來操縱光波，而DOE則是通過其特殊的結構使光波在通過時發生衍射，從而實現對光波傳播方向、相位和振幅的精確控制。具體來說，DOE通過其表面結構的微小變化來調制入射光的波前。這些結構可以是規則的或者根據特定算法設計的，以產生期望的衍射模式。DOE的制造通常采用半導體加工技術，如光刻和蝕刻，以實現納米或亞微米級的結構精度。當光線通過DOE時，根據衍射光學原理，不同的空間頻率成分會以不同的角度衍射出去，形成特定的光束形狀和分布。通過精心設計DOE的相位和振幅分布，可以實現對出射光波前的高度控制。這種控制包括對光束的聚焦、準直、擴展或壓縮，以及產生特定的光束形狀，如高斯光束、環形光束、平行光束等。在激光切割應用中，多焦點DOE技術可以通過產生多個均勻分布的焦點來實現對材料的深度切割。由于激光的焦點深度通常有限，而材料的厚度可能遠大于這個焦深，多焦點DOE就能夠通過擴展焦深區域，使得激光能量在材料內部形成一個較寬的切割區域，從而實現高質量的切割效果，避免因焦點深度不足導致的切割不完全、裂紋和切口粗糙等問題。綜上所述，DOE的光學整形原理是通過其獨特的微結構設計，對光波的衍射進行精密調控，以此來實現對光束形狀、傳播方向和相位-振幅特性的精確控制，進而用于各種光學應用，包括激光切割、光學成像、光通信和生物醫學成像等領域。
DOE的應用分類
DOE根據用途主要可分為：整形、分束、多焦、結構光和其它特殊光束產生。
光束整形用DOE，可在工作面上實現指定的光斑形狀（正方形、多邊形、長條形、環形及圓形等）及能量分布(如平頂、高斯、環形、m型光束發生器、衍射錐透鏡等，環形發生器用于產生環狀強度分布的光斑。常用的環形發生器有渦旋位相板、衍射錐透鏡、多環發生器等。錐透鏡被廣泛用于激光加工中產生貝塞爾光束，以實現較大的焦深。在錐透鏡上加以衍射光學技術，可將準直光變換為圓錐面上傳輸。經過透鏡成像，可以實現環形光斑。如用于點光源，可形成沿軸向分布的焦線。對光束直徑、衍射錐透鏡的位置加以調整，可實現不同的直徑以及不同的粗細的環）。衍射分束器將準直光束分為一維排列或二維排列的多個光束，每個光束保持原來的特征(結構光則不是，它只負責產生結構光，而不保證保持原光束特征)，以不同的角度出射。衍射分束器本質上是光柵結構，其出射角滿足光柵方程。通過精心的設計二元或多元的衍射單元結構，可實現各路輸出之間的能量分配(而普通的光柵則不行，不能任意分配)。復雜的衍射分束器可產生大角度的寬場照明以及特定圖樣的光斑分布。例如：達曼光柵是一種具有特殊孔徑函數的二值相位光柵，其對入射光波產生的夫瑯和費衍射圖樣是一定點陣數目的等光強光斑，完全避免了一般振幅光柵因函數強度包絡所引起的譜點光強的不均勻分布。與其他衍射結構的光學分束器相比，達曼光柵屬于傅里葉變換型的分束器，具有光斑陣列光強均勻性，不受入射光波分布影響和可以產生任意排列的點陣等優點。結構光，就是點、線、面結構光。結構光發生器可以產生各種訂制的光強分布：形狀，紋路，周期等通過將結構光透射到凹凸不平的表面，通過測量其光強分布的形變，可以計算目標不同位置的深度、運動等。結構光發生器在3D成像（如人臉識別），3D傳感（如自動駕駛激光雷達），機器視覺與計算視覺方面有廣闊的應用前景。
具體應用舉例：
- 平頂光束整形器，高斯光整平頂光DOE
平頂光束整形器又稱為聚焦型平頂光束整形元件、激光平頂光斑透鏡，其作用是獲得能量分布均勻、邊界陡峭，同時具有特定形狀的平頂光斑（Top-hat）。光斑尺寸一般在幾十微米到幾百微米的范圍，光斑形狀可以是圓形，矩形，正方形，直線，橢圓或定制圖形，具有非常好的能量均勻性，能夠實現各種高精度的激光加工應用。
2、M波形衍射光學元件
M波形衍射光學元件的作用是把入射激光整形為M波形（M-Shape），而M波形指的是激光光斑沿某一方向勻速滑動，積分后的能量均勻分布，即形成一條能量均勻分布的窄直線。M-Shape激光光斑的這個特性使得其特別適用于激光材料加工。
3、C形光束整形元件
C形光束整形器元件，主要應用在激光焊接加工工藝領域。C形強度分布在寬度/深度比方面具有優勢，通過給氣泡一個逃逸焊縫的地方來減少氧化和消除熱裂紋。
4、多焦點透DOE，長焦深DOE
如下圖左所示，多焦點DOE是利用對照射到鏡片不同局域的入射激光分別聚焦，在軸向傳播方向上同時得到多個焦點，各焦點的能量、間距幾乎相等，特別適合于深入透明材料內部加工，例如激光深度切割，隱形切割，0.1~1mm的玻璃或藍寶石切割。如下圖右所示，長焦深DOE能夠把入射激光在焦距附近產生一個能量近乎均勻分布、焦深的長度達幾十微米到幾毫米的焦點。激光焦點可拉長為原來的幾十倍，且寬度基本保持不變。能量均勻的長焦深光斑特別適合對材料進行深度切割。長焦深DOE和多焦點DOE互為補充，特別適合于激光材料加工領域。例如激光透明材料的切割（玻璃，藍寶石等），激光度量學，激光過程監控/監測、顯微鏡等。
5、光束均化器（勻化鏡/勻光片）
光束均化器又稱為勻化鏡或勻光片，其作用是使激光的光束以一個較大的角度均勻發散，從而使激光能量在一個較大的范圍內均勻分布。激光勻化器和平頂光束整形器都是形成一個能量均勻分布的激光光斑，而兩者的區別在于出射光束角度不同到導致的光斑尺寸不同，平頂光束整形器獲得的光斑尺寸一般為微米量級，而激光勻化器輸出毫米級的均勻光斑。
6、衍射分束器
衍射分束器(點陣分束器)是最基本的衍射光學元件之一，它的作用是把單個入射光分幾束或多束，且每束光都具有原始光束的特性（除了其功率和傳播角度變化，不改變初始光束的直徑、發散角和波前分布）。分束器的輸出可以是一維排布，也可以是二維排布，也可以實現線光斑陣列，排布完全可以由用戶定制。
7、螺旋相位片，激光渦旋透鏡
螺旋相位板（Vortex Lens）是得到相位連續變化的一種常用DOE元件，其作用是產生直徑較小的圓環形光斑（Vortex），光斑的外觀像一個漩渦狀的圈，也稱為漩渦光。螺旋相位片是獲得漩渦光最直接最簡單的方法，它能夠方便地設計漩渦光的直徑和拓撲荷數，滿足用戶的實際需求。
8、衍射軸錐鏡，圓環激光發生器，多圓環激光發生器，同心圓環激光透鏡
下圖左所示，衍射軸錐鏡又稱為圓環激光發生器（Ring Axicon），其作用是使激光光束通過后變成一個圓環，即激光能量以圓環/圓形的方式分布，這里圓環的寬度一般很窄，不同于激光渦鏡頭產生的光斑都具有一定寬度。下圖右所示，多圓環激光發生器的能夠把入射光束轉化為多個同心圓環（Ring Concentric circles），這些圓環的半徑都可控切且圓環的寬度都很窄，類似于圓環激光發生器。圓環的直徑、數量均、圓環之間的分離角度和每個圓的能量分布均可定制，從而得到多種不同的同心圓環激光圖形。
如何選擇DOE元件
一般而言，在選擇使用DOE元件之前需注意以下原則：
1、衍射光學元件產生的光束也不能違背光的傳播規律；其構建的特定光強分布只能在一定景深范圍內存在。因此在使用時，所需的光斑形貌、尺寸、工作距離、景深等有時不可兼得，需要做出權衡。
2、衍射光學元件通常依據激光的波長、光束口徑、光束模式（M2）、近場強度分布來設計，因此在選擇前應較為準確的測量這些參數。使用參數與設計參數不匹配將導致使用效果不佳甚至無法使用。
3、衍射光學元件對入射光的角度敏感，需要較好的光路調整精度和穩定性。
4、大部分衍射光學元件對入射激光的波前位相進行精密調控，因此光路中的其他部件如反/透射鏡片，透鏡等要使用高精度、低波差的器件，否則會影響最終的效果。
5、和常規透射光學元件一樣，根據不同的波長、激光強度的要求，衍射光學元件可采用石英、玻璃、寶石、塑料與樹脂、ZnSe等紅外材料制作，也可鍍增透膜。
6、衍射光學器件的色散與玻璃材料無關，僅與波長相關，即不管構成衍射器件的材料折射率如何，只要在同一波段內，就具有相同的色散能力。再者，衍射光學器件的阿貝數與傳統玻璃的阿貝數符號相反，并且其絕對值比傳統玻璃材料小，說明衍射光學器件具有較強的色散。進一步分析發現，衍射光學器件因衍射產生的部分色散和光學材料因折射產生的部分色散有很大不同，傳統光學材料在短波波段表現出較大的色散，在長波波段色散較小，而衍射光學器件的變化情況恰好相反，因此有利于二級光譜的校正。
7、折射元件的光熱膨脹系數由光學材料的線膨脹系數和折射率溫度系數共同決定，而衍射光學元件的光熱膨脹系數只是基體材料的線膨脹系數有關，而與材料的折射率特性無關。
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