衍射光學(xué)元件 DOE 介紹與分類(lèi) - 筱曉光子實(shí)驗室

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，對激光波前位相分布進(jìn)行精細調控。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(wèn)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(lǐng)域展現了巨大的應用潛力，其優(yōu)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(xué)元件具備非常小的體積和重量，插入光路中即可使用；大多數情況下可配合標準的透鏡、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(cháng)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(jìn)行訂制。同時(shí)，DOE應用的光路結構非常簡(jiǎn)單，在使用中搭配不同的透鏡，可實(shí)現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
根據不同的用途，DOE通?？梢苑譃楣馐?、分束、結構光、多焦、其他特殊光束產(chǎn)生等種類(lèi)；每種品類(lèi)有不同的原理、設計和應用特點(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(shí)，所需的光斑形貌、尺寸、工作距離、景深等有時(shí)不可兼得，需要做出權衡；
2) 衍射光學(xué)元件通常依據激光的波長(cháng)、光束口徑、光束模式（M2）、近場(chǎng)強度分布來(lái)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(wú)法使用；
3) 衍射光學(xué)元件對入射光的角度敏感，需要較好的光路調整精度和穩定性；
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 )影響最終的效果；
5) 和常規透射光學(xué)元件一樣，根據不同的波長(cháng)、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(shù)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(shí)現規定的光斑形狀（正方形、多邊形、長(cháng)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(cháng)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(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，最好2.5倍；
· 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(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(xiàn)，熔蝕
· 醫學(xué)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?，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(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(lái)表征準直光束經(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(huì )導致零級輕微增加；
· 對入射光尺寸、偏振不敏感；對光學(xué)元件的質(zhì)量無(wú)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(chǎng)合（如光斑M(jìn)2較小，但強度分布不規則），HOLO/ OR 提供“高均勻度"系列產(chǎn)品來(lái)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(xiàn)，焊接
· 醫美
· 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連續變化的位相；具備渦旋位相的光束，在遠場(chǎng)或透鏡焦面形成空心的環(huán)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(chēng)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(chǎng)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(chēng)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。

除了產(chǎn)生環(huán)形結構外，渦旋光本身的位相特征也被很多物理實(shí)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)形結構，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(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)現較大的焦深。在錐透鏡上加以衍射光學(xué)技術(shù)，可將準直光變換為圓錐面上傳輸。經(jīng)過(guò)透鏡成像，可以實(shí)現環(huán)形光斑。如用于點(diǎn)光源，可形成沿軸向分布的焦線(xiàn)。
對光束直徑、衍射錐透鏡的位置加以調整，可實(shí)現不同的直徑以及不同的粗細的環(huán)：

圖9 調節環(huán)形結構的粗細（上）以及直徑（下）

衍射錐透鏡的特征：
· 環(huán)寬度為衍射極限級（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(xiàn)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(chēng)3-D形貌的照明，因此常用在3-D形貌儀以及機器視覺(jué)領(lǐng)域。
4) 其他光束整形器
M型光束發(fā)生器
針對線(xiàn)掃描應用中，高斯型/平頂型光斑會(huì )導致中心過(guò)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(xiàn)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(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)上是光柵結構，其出射角滿(mǎn)足光柵方程。通過(guò)精心的設計二元或多元的衍射單元結構，可實(shí)現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(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(shí)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?；蚨鄼M模激光，對光束的偏離不敏感，同時(shí)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(jìn)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(jìn)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(fā)生器
結構光發(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(guò)將結構光透射到凹凸不平的表面，通過(guò)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(dòng)等。
結構光發(fā)生器在3-D成像（如人臉識別），3-D傳感（如自動(dòng)駕駛激光雷達），機器視覺(jué)與計算視覺(jué)方面有廣闊的應用前景。
圖13 顯示了結構光發(fā)生器產(chǎn)生的部分規則光強分布；圖11右圖則展示了通過(guò)結構光發(fā)生器產(chǎn)生的復雜二維編碼。

圖13 結構光發(fā)生器產(chǎn)生各種規則分布示例

五、焦點(diǎn)衍射元件

與前述幾類(lèi)衍射元件主要在特定工作面或一定景深范圍內，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(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(cháng)度）內保持焦斑的尺寸，超過(guò)這個(gè)范圍光束將發(fā)散。在激光切割、鉆孔等應用中，當加工深度較大時(shí)，這種特性常常造成困擾。焦點(diǎn)衍射元件應運而生，通過(guò)衍射光學(xué)構成能夠在較長(cháng)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(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，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(lèi)型；一種類(lèi)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(lèi)型由DOE產(chǎn)生多焦點(diǎn)效應，而焦距、焦點(diǎn)間距由附加透鏡決定。
多焦點(diǎn)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、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(cháng)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(cháng)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(fā)散角影響。
3）其他焦點(diǎn)衍射元件
l DeepCleave 超快激光玻璃切割專(zhuān)用模組

圖16 Deepcleave 玻璃切割專(zhuān)用DOE

 
DeepCleave為專(zhuān)門(mén)為玻璃切割開(kāi)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。當切割厚度達到0.5mm以上式，需要考慮焦斑的焦深。DeepCleave可以實(shí)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(chǎn)生的焦斑的能量密度沿光軸的分布。DeepCleave可提供相當長(cháng)距離內均一的激光強度。
雙波長(cháng)DOE與消色差透鏡
雙波長(cháng)DOE通常用于可見(jiàn)的HeNe激光與遠紅外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CO2激光與HeNe激光的焦點(diǎn)重合，滿(mǎn)足醫學(xué)應用需求；而衍射光學(xué)的F-Theta透鏡則可以同時(shí)實(shí)現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(cháng)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(wú)法實(shí)現三個(gè)波長(cháng)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(diǎn)；采用衍射光學(xué)元件可以實(shí)現單片消色差、消球差的功能。

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

小 結
通過(guò)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(shí)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(gè)波長(cháng)的色差矯正。
實(shí)現這些功能的同時(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。
衍射光學(xué)元件在激光加工、光學(xué)顯微、成像、生物醫學(xué)、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(lái)越多的應用被開(kāi)發(fā)出來(lái)。下一期將介紹衍射光學(xué)元件的部分應用。