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）是近幾年蓬勃發展的新興光學元件。DOE通常采用微納刻蝕工藝構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控。激光經過每個衍射單元后發生衍射，并在一定距離（通常為無窮遠或透鏡焦平面）處產生干涉，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)表面微觀結構示意

衍射光學元件問世后在高功率激光、激光加工、激光醫療、顯微成像、激光雷達、結構光照明、激光顯示等等領域展現了巨大的應用潛力，其優勢主要在于：
1) 高效率。精確設計的衍射單元結構可以確保接近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的長足發展，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應用的光路結構非常簡單，在使用中搭配不同的透鏡，可實現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公司產品及技術為例，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
根據不同的用途，DOE通常可以分為光束整形、分束、結構光、多焦、其他特殊光束產生等種類；每種品類有不同的原理、設計和應用特點。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。
三、光束整形元件
光束整形用DOE，可在工作面上實現的光斑形狀（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型等）。
1) 平頂光束發生器(Top hat generator)
平頂分布應用在激光醫美、激光加工、表面處理等多種場景中。平頂光束發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：平頂光束發生器的使用及效果圖

平頂光束發生器的使用特點：
· 適用于單橫模高斯光束，M² < 1.3；
· 平頂發生器放置于高斯光束束腰時效果佳；
· 平頂發生器不能產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。與平頂光束發生器將高斯光束變為平頂分布不同，光束勻化器將非均勻、不規則分布的光斑均勻化；平頂光束發生器適合單模（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)”來表征準直光束經過器件后的發散能力。可以選配不同焦距的透鏡來實現不同的投射面積。
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生器，在不能使用平頂發生器的場合（如光斑M²較小，但強度分布不規則），HOLO/ OR 提供“高均勻度”系列產品來提升均勻性。

 
圖5 標準（HM）與高均勻（HH）產品對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
· 醫美
· 準分子激光器光束整形
· 熱斑抑制
3) 環形發生器
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。

 
圖6 渦旋位相板、衍射錐透鏡、多環發生器產生的圖樣

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狀光強分布。
沿圓周方向旋轉一周，位相在0 - 2π連續變化的次數稱為渦旋位相板的“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為軸對稱TEM01模；
· 1階渦旋位相板在焦平面形成的圓環尺度與高斯光束的衍射極限相當；
· 圓環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

除了產生環形結構外，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，需要產生環形結構，可采用衍射錐透鏡。
環形發生器（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：

圖9 調節環形結構的粗細（上）以及直徑（下）

衍射錐透鏡的特征：
· 環寬度為衍射極*級（折射/多層型為1.75倍衍射極限，二元衍射結構為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生
· 環形光斑眼科手術
· 太陽光聚光器
· 激光錐鏡腔
· 激光鉆孔/ 微孔
· OCT
· 角膜手術
· 望遠鏡
 多環發生器
Holo/ or 可提供多達上百環的環形光束發生器。多環發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域。
4) 其他光束整形器
M型光束發生器
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型光束發生器在工作面上構建中心弱、邊緣強且銳利的光斑，避免這種情況發生。

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。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。
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、編碼結構光

1）分束器

圖12 左：奇/偶數分束器的光束分布；右：分束器配合透鏡構成聚焦陣列

分束器在選擇時首先需要考慮所需要的出射光束數量、分布（一維或二維）、全角、分離角等因素。常規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。
分束器適用于單橫模或多橫模激光，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）結構光發生器
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......。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 顯示了結構光發生器產生的部分規則光強分布；圖11右圖則展示了通過結構光發生器產生的復雜二維編碼。

圖13 結構光發生器產生各種規則分布示例

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，產生橫向（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。
根據傳播定律，任何光束在聚焦后只能在一定傳播距離內（通常是瑞利長度）內保持焦斑的尺寸，超過這個范圍光束將發散。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，通過衍射光學構成能夠在較長傳播距離內保持能量集中度的聚焦特性，保證激光加工的質量。
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，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、顯微等。
2）貝塞爾衍射元件
貝塞爾衍射元件產生貝塞爾光束，經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或顯微系統中使用，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可以實現在1~2mm范圍內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）與常規貝塞爾DOE（紅色）產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CO2激光與HeNe激光的焦點重合，滿足醫學應用需求；而衍射光學的F-Theta透鏡則可以同時實現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。常規的透鏡因為色差無法實現三個波長共焦，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
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：
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）數個波長的色差矯正。
實現這些功能的同時，衍射光學元件具有體積小、損傷閾值高、使用簡單等優勢。
衍射光學元件在激光加工、光學顯微、成像、生物醫學、顯示與印刷、3-D成像和遙感等等領域有巨大的應用，并將有越來越多的應用被開發出來。下一期將介紹衍射光學元件的部分應用。