衍射光學(xué)元件DOE的分類與選型

一、衍射光學(xué)元件簡介

衍射光學(xué)元件（DOE）是相位元件，它使用嵌入在元件中的薄微結(jié)構(gòu)將輸入激光束控制為各種輸出輪廓和形狀。衍射光學(xué)器件可實現(xiàn)許多功能和光操作，而這在標(biāo)準(zhǔn)折射光學(xué)器件中是不可行的。在許多應(yīng)用中，這些功能非常有益，可以顯著提高系統(tǒng)性能。

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(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(jìn)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。

二、衍射光學(xué)元件選型的基本原則

根據(jù)不同的用途，DOE通常可以分為光束整形、分束、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(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)指定的光斑形狀（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）。

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。

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。

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。