衍射光學(xué)元件DOE分類和選型匯總
一,、衍射光學(xué)元件簡(jiǎn)介
衍射光學(xué)元件（Diffractive Optical Element,，DOE）是近幾年蓬勃發(fā)展的新興光學(xué)元件。DOE通常采用微納刻蝕工藝構(gòu)成二維分布的衍射單元,，每個(gè)衍射單元可以有特定的形貌,、折射率等，對(duì)激光波前位相分布進(jìn)行精細(xì)調(diào)控,。激光經(jīng)過(guò)每個(gè)衍射單元后發(fā)生衍射,，并在一定距離（通常為無(wú)窮遠(yuǎn)或透鏡焦平面）處產(chǎn)生干涉，形成特定的光強(qiáng)分布,。
圖1：衍射光學(xué)元件的 A)使用示意,；B)外形示意；C)表面微觀結(jié)構(gòu)示意
衍射光學(xué)元件問(wèn)世后在高功率激光,、激光加工,、激光醫(yī)療、顯微成像,、激光雷達(dá),、結(jié)構(gòu)光照明、激光顯示等等領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力，其優(yōu)勢(shì)主要在于：
1) 高效率,。精確設(shè)計(jì)的衍射單元結(jié)構(gòu)可以確保接近100%的激光能量被投射到所需要的圖樣上,，效率大大高于掩膜等手段；
2) 使用便利,。衍射光學(xué)元件具備非常小的體積和重量,，插入光路中即可使用；大多數(shù)情況下可配合標(biāo)準(zhǔn)的透鏡,、場(chǎng)鏡,、顯微物鏡等使用；
3) 靈活性,。得益于微納加工技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展,，DOE可以針對(duì)不同的激光器或不同的目標(biāo)光強(qiáng)/位相分布進(jìn)行訂制。同時(shí),，DOE應(yīng)用的光路結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單,，在使用中搭配不同的透鏡，可實(shí)現(xiàn)不同幾何尺寸的光斑,。
作為一種新型的光學(xué)器件,，在選擇/使用衍射光學(xué)元件時(shí)需要對(duì)它的特性有所了解。本文以以色列HOLO/ OR公司產(chǎn)品及技術(shù)為例,，簡(jiǎn)要描述如何選擇合適的DOE元件,。
二、衍射光學(xué)元件選型的基本原則
根據(jù)不同的用途,，DOE通?？梢苑譃楣馐巍⒎质?、結(jié)構(gòu)光,、多焦,、其他特殊光束產(chǎn)生等種類,；每種品類有不同的原理、設(shè)計(jì)和應(yīng)用特點(diǎn),。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(xué)元件產(chǎn)生的光束也不能違背光的傳播規(guī)律；其構(gòu)建的特定光強(qiáng)分布只能在一定景深范圍內(nèi)存在,。因此在使用時(shí),，所需的光斑形貌、尺寸,、工作距離,、景深等有時(shí)不可兼得，需要做出權(quán)衡；
2) 衍射光學(xué)元件通常依據(jù)激光的波長(zhǎng),、光束口徑,、光束模式（M2）、近場(chǎng)強(qiáng)度分布來(lái)設(shè)計(jì),，因此在選擇前應(yīng)較為準(zhǔn)確的測(cè)量這些參數(shù),。使用參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)不匹配將導(dǎo)致使用效果不佳甚至無(wú)法使用；
3) 衍射光學(xué)元件對(duì)入射光的角度敏感,，需要較好的光路調(diào)整精度和穩(wěn)定性,；
4) 大部分衍射光學(xué)元件對(duì)入射激光的波前位相進(jìn)行精密調(diào)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(huì)影響終的效果,；
5) 和常規(guī)透射光學(xué)元件一樣,，根據(jù)不同的波長(zhǎng)、激光強(qiáng)度的要求,，衍射光學(xué)元件可采用石英,、玻璃、寶石,、塑料與樹(shù)脂,、ZnSe等紅外材料制作，也可鍍?cè)鐾改ぁ?br />三,、光束整形元件
光束整形用DOE,，可在工作面上實(shí)現(xiàn)的光斑形狀（正方形、多邊形,、長(zhǎng)條形,、環(huán)形及圓形等）及能量分布(如平頂、高斯,、環(huán)形,、M型等）。
1) 平頂光束發(fā)生器(Top hat generator)
平頂分布應(yīng)用在激光醫(yī)美,、激光加工,、表面處理等多種場(chǎng)景中。平頂光束發(fā)生器可將單橫模激光(高斯分布,，M2<1.3)變換成為圓形,、正方形、長(zhǎng)條形等光強(qiáng)均勻,、邊緣清晰的分布,。
圖2：平頂光束發(fā)生器的使用及效果圖
平頂光束發(fā)生器的使用特點(diǎn)：
· 適用于單橫模高斯光束,，M2 < 1.3；
· 平頂發(fā)生器放置于高斯光束束腰時(shí)效果佳,；
· 平頂發(fā)生器不能產(chǎn)生尺度小于衍射極限的光斑,，通常為1.5倍~5倍衍射極限；
· 平頂發(fā)生器在使用時(shí),，光學(xué)元件要求低波差,，同時(shí)有效口徑要在入射光束腰直徑的兩倍以上，,；
· 目標(biāo)光束形狀及強(qiáng)度分布只能在一定的距離范圍內(nèi)保持,，通常為光斑尺寸的一半；
· 對(duì)入射光直徑,、入射光中心位置,、入射角度等均較為敏感。
平頂光束發(fā)生器的主要應(yīng)用：
· 激光加工與處理：微孔,，鉆孔,，焊接，切割,，劃線,，熔蝕
· 醫(yī)學(xué)與美容
· 激光顯示
· 打標(biāo)與印刷
2) 光束勻化器 (Optical Diffuser/ Homogenizer)
光束勻化器也可產(chǎn)生各種形狀、能量均勻分布（或特定分布）的光斑,。與平頂光束發(fā)生器將高斯光束變?yōu)槠巾敺植疾煌?，光束勻化器將非均勻、不?guī)則分布的光斑均勻化,；平頂光束發(fā)生器適合單模（M2<1.3）激光使用,，光束勻化器對(duì)多模激光的勻化效果更好。
圖3：光束勻化器的使用示意圖
光束勻化器通常以“漫射角(diffusion angle)”來(lái)表征準(zhǔn)直光束經(jīng)過(guò)器件后的發(fā)散能力,?？梢赃x配不同焦距的透鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的投射面積。
光束勻化器的使用特性：
· 對(duì)縱向擺放位置,、橫向偏移不敏感,；
· 入射角度偏差會(huì)導(dǎo)致零級(jí)輕微增加；
· 對(duì)入射光尺寸,、偏振不敏感,；對(duì)光學(xué)元件的質(zhì)量無(wú)特殊要求,；
· 對(duì)M2 較小的單模激光勻化效果不佳,，有干涉條紋，但圖樣邊沿清晰,；對(duì)M2 較大的多模激光勻化效果很好,，但邊沿略模糊,。
圖4 光束勻化器對(duì)單模（左）、多模（右）激光的勻化效果
針對(duì)單模激光如有勻化要求,，一般推薦使用平頂發(fā)生器,，在不能使用平頂發(fā)生器的場(chǎng)合（如光斑M(jìn)2較小，但強(qiáng)度分布不規(guī)則）,，HOLO/ OR 提供“高均勻度”系列產(chǎn)品來(lái)提升均勻性,。
圖5 標(biāo)準(zhǔn)（HM）與高均勻（HH）產(chǎn)品對(duì)TEM00激光的勻化效果
光束勻化器的主要應(yīng)用：
· 激光光強(qiáng)勻化，整形
· 加工與處理：打孔,，熔蝕,，打標(biāo)，劃線,，焊接
· 醫(yī)美
· 準(zhǔn)分子激光器光束整形
· 熱斑抑制
3) 環(huán)形發(fā)生器
環(huán)形發(fā)生器用于產(chǎn)生環(huán)狀強(qiáng)度分布的光斑,。常用的環(huán)形發(fā)生器有渦旋位相板、衍射錐透鏡,、多環(huán)發(fā)生器等,。
圖6 渦旋位相板、衍射錐透鏡,、多環(huán)發(fā)生器產(chǎn)生的圖樣
渦旋位相板（Spiral Phase Plate, Vortex）
渦旋位相板在高斯光束的波前上,，沿圓周方向施加0 - 2π連續(xù)變化的位相；具備渦旋位相的光束,，在遠(yuǎn)場(chǎng)或透鏡焦面形成空心的環(huán)狀光強(qiáng)分布,。
沿圓周方向旋轉(zhuǎn)一周，位相在0 - 2π連續(xù)變化的次數(shù)稱為渦旋位相板的“拓?fù)浜?rdquo;或“拓?fù)潆A”,。相同焦距情況下,，階次越高的位相板，形成的環(huán)尺度越大,。
圖7：上：1~4階渦旋位相板的表面形貌（相延）示意圖
下：1 ~ 4階渦旋位相板形成的遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度分布圖
渦旋位相板通常配合透鏡使用,。其在使用中的注意事項(xiàng)和特性如下：
· 輸入光需要TEM00單橫模；所有光學(xué)元件要求低波差,；
· 1階渦旋位相板將高斯光束變?yōu)檩S對(duì)稱TEM01模,；
· 1階渦旋位相板在焦平面形成的圓環(huán)尺度與高斯光束的衍射極限相當(dāng)；
· 圓環(huán)分布只在焦平面前后一段距離（約為光斑尺寸的一半）保持,；
· 對(duì)光束中心對(duì)位,、傾斜均敏感；較大的輸入光斑有助于降低敏感度,。
圖8 渦旋位相板的使用示意圖
除了產(chǎn)生環(huán)形結(jié)構(gòu)外,，渦旋光本身的位相特征也被很多物理實(shí)驗(yàn)所利用。
Holo/ or 公司還提供一種矩形渦旋位相板,，對(duì)光束尺寸不敏感,、對(duì)離焦,、偏心敏感度較低。
如光源為多模激光,，需要產(chǎn)生環(huán)形結(jié)構(gòu),，可采用衍射錐透鏡。
環(huán)形發(fā)生器（渦旋位相板）的主要應(yīng)用：
· 天文學(xué)
· 光鑷
· 加密
· 顯微與超分辨顯微
· 光刻
衍射錐透鏡（Diffractive Axicon）
錐透鏡被廣泛用于激光加工中產(chǎn)生貝塞爾光束,，以實(shí)現(xiàn)較大的焦深,。在錐透鏡上加以衍射光學(xué)技術(shù)，可將準(zhǔn)直光變換為圓錐面上傳輸,。經(jīng)過(guò)透鏡成像,，可以實(shí)現(xiàn)環(huán)形光斑。如用于點(diǎn)光源,，可形成沿軸向分布的焦線,。
對(duì)光束直徑、衍射錐透鏡的位置加以調(diào)整,，可實(shí)現(xiàn)不同的直徑以及不同的粗細(xì)的環(huán)：
圖9 調(diào)節(jié)環(huán)形結(jié)構(gòu)的粗細(xì)（上）以及直徑（下）
衍射錐透鏡的特征：
· 環(huán)寬度為衍射極*級(jí)（折射/多層型為1.75倍衍射極限,，二元衍射結(jié)構(gòu)為1倍）
· 中心偏差、角度偏差敏感,；
· 光束口徑,、M2、偏振不敏感,；
衍射錐透鏡的主要應(yīng)用：
· 原子陷俘
· 直線加速器等離子體產(chǎn)生
· 環(huán)形光斑眼科手術(shù)
· 太陽(yáng)光聚光器
· 激光錐鏡腔
· 激光鉆孔/ 微孔
· OCT
· 角膜手術(shù)
· 望遠(yuǎn)鏡
多環(huán)發(fā)生器
Holo/ or 可提供多達(dá)上百環(huán)的環(huán)形光束發(fā)生器,。多環(huán)發(fā)生器較為適合軸對(duì)稱3-D形貌的照明，因此常用在3-D形貌儀以及機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域,。
4) 其他光束整形器
M型光束發(fā)生器
針對(duì)線掃描應(yīng)用中,，高斯型/平頂型光斑會(huì)導(dǎo)致中心過(guò)曝的情況，導(dǎo)致刻槽兩端為弧形,。M型光束發(fā)生器在工作面上構(gòu)建中心弱,、邊緣強(qiáng)且銳利的光斑，避免這種情況發(fā)生,。
圖10：M型光束線掃描強(qiáng)度分布（左）及光斑形貌（右）
四,、衍射分束器（多光束衍射元件）
衍射分束器將準(zhǔn)直光束分為一維排列或二維排列的多個(gè)光束，每個(gè)光束保持原來(lái)的特征,，以不同的角度出射,。衍射分束器本質(zhì)上是光柵結(jié)構(gòu)，其出射角滿足光柵方程,。通過(guò)精心的設(shè)計(jì)二元或多元的衍射單元結(jié)構(gòu),，可實(shí)現(xiàn)各路輸出之間的能量分配。復(fù)雜的衍射分束器可產(chǎn)生大角度的寬場(chǎng)照明以及特定圖樣的光斑分布,。
一維或二維陣列光束,，通過(guò)透鏡聚焦后可形成焦點(diǎn)陣列,，用于高功率激光并行加工,。
圖11：衍射分束器的示例,，從左至右：二維分束器、光束取樣,、編碼結(jié)構(gòu)光
1）分束器
圖12 左：奇/偶數(shù)分束器的光束分布,；右：分束器配合透鏡構(gòu)成聚焦陣列
分束器在選擇時(shí)首先需要考慮所需要的出射光束數(shù)量、分布（一維或二維）,、全角,、分離角等因素。常規(guī)的分束器提供等角度分離,，功率/能量均分,。特殊的角度和能量分配也可以訂制。
分束器適用于單橫?；蚨鄼M模激光,，對(duì)光束的偏離不敏感，同時(shí)適應(yīng)各種光束形貌,。
2）光束取樣器
光束取樣器用于對(duì)高功率激光進(jìn)行取樣,，其+1、-1級(jí)衍射光斑分配少量功率并保持原光束的傳輸特性,，以便對(duì)高功率激光進(jìn)行監(jiān)控和測(cè)試,；而零級(jí)則集中了主要的能量。
圖11中間圖樣展示了光束取樣器的功能和效果,。
3）結(jié)構(gòu)光發(fā)生器
結(jié)構(gòu)光發(fā)生器可以產(chǎn)生各種訂制的光強(qiáng)分布：形狀,，紋路，周期......,。通過(guò)將結(jié)構(gòu)光透射到凹凸不平的表面,，通過(guò)測(cè)量其光強(qiáng)分布的形變，可以計(jì)算目標(biāo)不同位置的深度,、運(yùn)動(dòng)等,。
結(jié)構(gòu)光發(fā)生器在3-D成像（如人臉識(shí)別），3-D傳感（如自動(dòng)駕駛激光雷達(dá)）,，機(jī)器視覺(jué)與計(jì)算視覺(jué)方面有廣闊的應(yīng)用前景,。
圖13 顯示了結(jié)構(gòu)光發(fā)生器產(chǎn)生的部分規(guī)則光強(qiáng)分布；圖11右圖則展示了通過(guò)結(jié)構(gòu)光發(fā)生器產(chǎn)生的復(fù)雜二維編碼,。
圖13 結(jié)構(gòu)光發(fā)生器產(chǎn)生各種規(guī)則分布示例
五,、焦點(diǎn)衍射元件
與前述幾類衍射元件主要在特定工作面或一定景深范圍內(nèi)，產(chǎn)生橫向（垂直于激光傳輸方向）平面的光強(qiáng)分布不同,，焦點(diǎn)衍射元件用于激光聚焦后縱向（沿激光傳輸方向）的特定分布,。
根據(jù)傳播定律,，任何光束在聚焦后只能在一定傳播距離內(nèi)（通常是瑞利長(zhǎng)度）內(nèi)保持焦斑的尺寸，超過(guò)這個(gè)范圍光束將發(fā)散,。在激光切割,、鉆孔等應(yīng)用中，當(dāng)加工深度較大時(shí),，這種特性常常造成困擾,。焦點(diǎn)衍射元件應(yīng)運(yùn)而生，通過(guò)衍射光學(xué)構(gòu)成能夠在較長(zhǎng)傳播距離內(nèi)保持能量集中度的聚焦特性,，保證激光加工的質(zhì)量,。
這方面的器件主要有多焦點(diǎn)DOE、貝塞爾DOE等,。
1）多焦點(diǎn)衍射元件
圖14 五焦點(diǎn)衍射元件（左）,；兩種不同器件的使用方式（右）
多交點(diǎn)DOE在光軸方向產(chǎn)生多個(gè)焦點(diǎn)，每個(gè)焦點(diǎn)都可具備衍射極限的尺度,，并分配一定比例的激光能量（通常為等分）,。這種分布保證了在一定縱深范圍內(nèi)，各個(gè)焦點(diǎn)處激光具備同樣的功率/能量密度,。
如圖14 （左）所示,，多焦點(diǎn)DOE有兩種類型；一種類型集成了聚焦透鏡功能,，其焦距,、焦點(diǎn)間距是固定的；第二種類型由DOE產(chǎn)生多焦點(diǎn)效應(yīng),，而焦距,、焦點(diǎn)間距由附加透鏡決定。
多焦點(diǎn)衍射元件對(duì)入射光的位置,、角度均敏感,。
多DOE主要用于眼科、光學(xué)傳感器,、激光切割與鉆孔,、并行變焦系統(tǒng)、顯微等,。
2）貝塞爾衍射元件
貝塞爾衍射元件產(chǎn)生貝塞爾光束,，經(jīng)過(guò)聚焦后具備比高斯光束更長(zhǎng)的景深，同時(shí)具備更大的光斑直徑,。
圖15 高斯光束（下）與貝塞爾光束（上）經(jīng)過(guò)相同透鏡后的焦斑軸向分布
貝塞爾衍射元件可直接插入激光加工系統(tǒng)或顯微系統(tǒng)中使用,，不改變?cè)械慕咕啵瑺奚欢ǖ臋M向聚焦特性，得到更長(zhǎng)的焦深,。與常規(guī)聚焦一樣,，貝塞爾光束的焦斑尺寸和焦深也受激光原有的激光光斑直徑、發(fā)散角影響,。
3）其他焦點(diǎn)衍射元件
l DeepCleave 超快激光玻璃切割模組
圖16 Deepcleave 玻璃切割DOE
DeepCleave為專門為玻璃切割開(kāi)發(fā)的模組,。針對(duì)玻璃或其它透明、硬脆材料,，超快激光切割是方法之一,。當(dāng)切割厚度達(dá)到0.5mm以上式,，需要考慮焦斑的焦深,。DeepCleave可以實(shí)現(xiàn)在1~2mm范圍內(nèi)1.8微米束腰的光斑，尤其適合超快激光玻璃切割應(yīng)用,。圖16（左）顯示了DeepCleave（藍(lán)色）與常規(guī)貝塞爾DOE（紅色）產(chǎn)生的焦斑的能量密度沿光軸的分布,。DeepCleave可提供相當(dāng)長(zhǎng)距離內(nèi)均一的激光強(qiáng)度。
雙波長(zhǎng)DOE與消色差透鏡
雙波長(zhǎng)DOE通常用于可見(jiàn)的HeNe激光與遠(yuǎn)紅外CO2激光的色差矯正,。通過(guò)在平凸透鏡的平面增加衍射單元,，可以實(shí)現(xiàn)CO2激光與HeNe激光的焦點(diǎn)重合，滿足醫(yī)學(xué)應(yīng)用需求,；而衍射光學(xué)的F-Theta透鏡則可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩種激光的焦距矯正與場(chǎng)矯正,，無(wú)需在掃描頭中配置雙波長(zhǎng)透鏡。
在部分高功率激光應(yīng)用中,，需要使用1064nm,、532nm、355nm共軸激光,。常規(guī)的透鏡因?yàn)樯顭o(wú)法實(shí)現(xiàn)三個(gè)波長(zhǎng)共焦,，而膠合消色差透鏡組則有損傷閾值低、溫度導(dǎo)致色差,、消球差不便以及體積冗大的缺點(diǎn),；采用衍射光學(xué)元件可以實(shí)現(xiàn)單片消色差、消球差的功能,。
圖17 CO2/HeNe雙波長(zhǎng)衍射光學(xué)透鏡（左）及高功率三波長(zhǎng)消色差透鏡（右）的功能示意
小 結(jié)
通過(guò)對(duì)激光波前位相在微米尺度的控制,，衍射光學(xué)元件能夠生成各種位相分布，主要可實(shí)現(xiàn)：
1）像面上幾乎任意形狀和分布的光斑,；
2）特殊的位相分布,；
3）特殊的焦斑軸向分布；
4）數(shù)個(gè)波長(zhǎng)的色差矯正,。
實(shí)現(xiàn)這些功能的同時(shí),，衍射光學(xué)元件具有體積小、損傷閾值高、使用簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì),。
衍射光學(xué)元件在激光加工,、光學(xué)顯微、成像,、生物醫(yī)學(xué),、顯示與印刷、3-D成像和遙感等等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用,，并將有越來(lái)越多的應(yīng)用被開(kāi)發(fā)出來(lái),。下一期將介紹衍射光學(xué)元件的部分應(yīng)用。
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