衍射光學元件DOE分類和選型匯總

一、衍射光學元件簡介
衍射光學元件（Diffractive Optical Element，DOE）是近幾年蓬勃發(fā)展的新興光學元件。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（通常為無窮遠或透鏡焦平面）處產(chǎn)生干涉，形成特定的光強分布。

圖1：衍射光學元件的 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)情況下可配合標準的透鏡、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光強/位相分布進行訂制。同時，DOE應用的光路結(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器件，在選擇/使用衍射光學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，因此在選擇前應較為準確的測量這些參數(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(diào)整精度和穩(wěn)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(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，否則會影響終的效果；
5) 和常規(guī)透射光學元件一樣，根據(jù)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。
三、光束整形元件
光束整形用DOE，可在工作面上實現(xiàn)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，；
· 目標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)生器的主要應用：
· 激光加工與處理：微孔，鉆孔，焊接，切割，劃線，熔蝕
· 醫(yī)學與美容
· 激光顯示
· 打標與印刷
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)”來表征準直光束經(jīng)過器件后的發(fā)散能力。可以選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；
· 入射角度偏差會導致零級輕微增加；
· 對入射光尺寸、偏振不敏感；對光學元件的質(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 標準（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用：
· 激光光強勻化，整形
· 加工與處理：打孔，熔蝕，打標，劃線，焊接
· 醫(yī)美
· 準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“拓撲荷”或“拓撲階”。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；
· 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。

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）的主要應用：
· 天文學
· 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技術(shù)，可將準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的環(huán)：

圖9 調(diào)節(jié)環(huán)形結(jié)構(gòu)的粗細（上）以及直徑（下）

衍射錐透鏡的特征：
· 環(huán)寬度為衍射極*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
針對線掃描應用中，高斯型/平頂型光斑會導致中心過曝的情況，導致刻槽兩端為弧形。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、鉆孔等應用中，當加工深度較大時，這種特性常常造成困擾。焦點衍射元件應運而生，通過衍射光學構(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，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 超快激光玻璃切割模組

 
圖16 Deepcleave 玻璃切割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，超快激光切割是方法之一。當切割厚度達到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)學應用需求；而衍射光學的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、溫度導致色差、消球差不便以及體積冗大的缺點；采用衍射光學元件可以實現(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，衍射光學元件具有體積小、損傷閾值高、使用簡單等優(yōu)勢。
衍射光學元件在激光加工、光學顯微、成像、生物醫(yī)學、顯示與印刷、3-D成像和遙感等等領(lǐng)域有巨大的應用，并將有越來越多的應用被開發(fā)出來。下一期將介紹衍射光學元件的部分應用。