一,、衍射光學(xué)元件簡介
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，每個衍射單元可以有特定的形貌、折射率等，對激光波前位相分布進行精細(xì)調(diào)控。激光經(jīng)過每個衍射單元后發(fā)生衍射,，并在一定距離（通常為無窮遠(yuǎn)或透鏡焦平面）處產(chǎn)生干涉，形成特定的光強分布,。

衍射光學(xué)元件問世后在高功率激光,、激光加工、激光醫(yī)療,、顯微成像,、激光雷達、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)勢主要在于：
1) 高效率。精確設(shè)計的衍射單元結(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、場鏡,、顯微物鏡等使用,；
3) 靈活性。得益于微納加工技術(shù)的長足發(fā)展,，DOE可以針對不同的激光器或不同的目標(biāo)光強/位相分布進行訂制。同時,，DOE應(yīng)用的光路結(jié)構(gòu)非常簡單,，在使用中搭配不同的透鏡，可實現(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)元件時需要對它的特性有所了解。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)計和應(yīng)用特點,。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)建的特定光強分布只能在一定景深范圍內(nèi)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(quán)衡,；
2) 衍射光學(xué)元件通常依據(jù)激光的波長、光束口徑,、光束模式（M2）,、近場強度分布來設(shè)計，因此在選擇前應(yīng)較為準(zhǔn)確的測量這些參數(shù),。使用參數(shù)與設(shè)計參數(shù)不匹配將導(dǎo)致使用效果不佳甚至無法使用,；
3) 衍射光學(xué)元件對入射光的角度敏感，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)元件對入射激光的波前位相進行精密調(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,，否則會影響最終的效果；
5) 和常規(guī)透射光學(xué)元件一樣,，根據(jù)不同的波長,、激光強度的要求，衍射光學(xué)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。

三,、光束整形元件
光束整形用DOE,，可在工作面上實現(xiàn)規(guī)定的光斑形狀（正方形、多邊形,、長條形,、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,、長條形等光強均勻、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：
· 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,，光學(xué)元件要求低波差,，同時有效口徑要在入射光束腰直徑的兩倍以上，最好2.5倍,；
· 目標(biāo)光束形狀及強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馐鴦蚧鲗⒎蔷鶆?、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)”來表征準(zhǔn)直光束經(jīng)過器件后的發(fā)散能力,?？梢赃x配不同焦距的透鏡來實現(xiàn)不同的投射面積。
光束勻化器的使用特性：
· 對縱向擺放位置,、橫向偏移不敏感,；
· 入射角度偏差會導(dǎo)致零級輕微增加；
· 對入射光尺寸,、偏振不敏感,；對光學(xué)元件的質(zhì)量無特殊要求；
· 對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 光束勻化器對單模（左）、多模（右）激光的勻化效果

針對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)生器的場合（如光斑M2較小，但強度分布不規(guī)則）,，HOLO/ OR 提供“高均勻度”系列產(chǎn)品來提升均勻性,。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)（HM）與高均勻（HH）產(chǎn)品對TEM00激光的勻化效果

光束勻化器的主要應(yīng)用：
· 激光光強勻化，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)場或透鏡焦面形成空心的環(huán)狀光強分布,。
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)浜伞被颉巴負(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)場強度分布圖

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；
· 對光束中心對位,、傾斜均敏感,；較大的輸入光斑有助于降低敏感度。

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驗所利用,。
Holo/ or 公司還提供一種矩形渦旋位相板，對光束尺寸不敏感,、對離焦,、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)過透鏡成像,，可以實現(xiàn)環(huán)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(diào)整,，可實現(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)寬度為衍射極限級（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)生器較為適合軸對稱3-D形貌的照明，因此常用在3-D形貌儀以及機器視覺領(lǐng)域,。
4) 其他光束整形器
M型光束發(fā)生器
針對線掃描應(yīng)用中,，高斯型/平頂型光斑會導(dǎo)致中心過曝的情況，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光束，每個光束保持原來的特征,，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,。通過精心的設(shè)計二元或多元的衍射單元結(jié)構(gòu),，可實現(xiàn)各路輸出之間的能量分配。復(fù)雜的衍射分束器可產(chǎn)生大角度的寬場照明以及特定圖樣的光斑分布,。
一維或二維陣列光束,，通過透鏡聚焦后可形成焦點陣列，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,，對光束的偏離不敏感，同時適應(yīng)各種光束形貌,。
2）光束取樣器
光束取樣器用于對高功率激光進行取樣,，其+1、-1級衍射光斑分配少量功率并保持原光束的傳輸特性,，以便對高功率激光進行監(jiān)控和測試,；而零級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)生各種訂制的光強分布：形狀,，紋路，周期......。通過將結(jié)構(gòu)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(biāo)不同位置的深度、運動等,。
結(jié)構(gòu)光發(fā)生器在3-D成像（如人臉識別）,，3-D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(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)則光強分布,；圖11右圖則展示了通過結(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）平面的光強分布不同，焦點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)（通常是瑞利長度）內(nèi)保持焦斑的尺寸，超過這個范圍光束將發(fā)散,。在激光切割,、鉆孔等應(yīng)用中，當(dāng)加工深度較大時,，這種特性常常造成困擾,。焦點衍射元件應(yīng)運而生，通過衍射光學(xué)構(gòu)成能夠在較長傳播距離內(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DOE、貝塞爾DOE等,。
1）多焦點衍射元件

圖14 五焦點衍射元件（左）,；兩種不同器件的使用方式（右）

多交點DOE在光軸方向產(chǎn)生多個焦點，每個焦點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)，各個焦點處激光具備同樣的功率/能量密度,。
如圖14 （左）所示,，多焦點DOE有兩種類型；一種類型集成了聚焦透鏡功能,，其焦距,、焦點間距是固定的；第二種類型由DOE產(chǎn)生多焦點效應(yīng),，而焦距,、焦點間距由附加透鏡決定,。
多焦點衍射元件對入射光的位置、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)過聚焦后具備比高斯光束更長的景深，同時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,，不改變原有的焦距，犧牲一定的橫向聚焦特性,，得到更長的焦深,。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）其他焦點衍射元件
l DeepCleave 超快激光玻璃切割專用模組

圖16 Deepcleave 玻璃切割專用DOE

 
DeepCleave為專門為玻璃切割開發(fā)的模組。針對玻璃或其它透明,、硬脆材料,，超快激光切割是好的方法之一。當(dāng)切割厚度達到0.5mm以上式,，需要考慮焦斑的焦深,。DeepCleave可以實現(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)長距離內(nèi)均一的激光強度。
雙波長DOE與消色差透鏡
雙波長DOE通常用于可見的HeNe激光與遠(yuǎn)紅外CO2激光的色差矯正,。通過在平凸透鏡的平面增加衍射單元,，可以實現(xiàn)CO2激光與HeNe激光的焦點重合，滿足醫(yī)學(xué)應(yīng)用需求,；而衍射光學(xué)的F-Theta透鏡則可以同時實現(xiàn)兩種激光的焦距矯正與場矯正,，無需在掃描頭中配置雙波長透鏡。
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)的透鏡因為色差無法實現(xiàn)三個波長共焦,，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,；采用衍射光學(xué)元件可以實現(xiàn)單片消色差,、消球差的功能。

圖17 CO2/HeNe雙波長衍射光學(xué)透鏡（左）及高功率三波長消色差透鏡（右）的功能示意

小 結(jié)
通過對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)個波長的色差矯正。
實現(xiàn)這些功能的同時,，衍射光學(xué)元件具有體積小,、損傷閾值高、使用簡單等優(yōu)勢,。
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,，并將有越來越多的應(yīng)用被開發(fā)出來,。下一期將介紹衍射光學(xué)元件的部分應(yīng)用。