衍射光学元件：从基础原理到应用实践

衍射光学元件：从基础原理到应用实践

衍射光学元件（DOE）是近年来快速发展的新型光学元件，通过在微纳尺度上对光的波前相位进行精细调控，能够实现各种独特的光场分布。从激光加工到生物医学，从3D成像到显示技术，DOE正在多个领域展现出巨大的应用潜力。本文将为您详细介绍DOE的基本原理、分类及其选型要点。

衍射光学元件简介

衍射光学元件（Diffractive Optical Element，DOE）是近年来快速发展的新型光学元件。DOE通常采用微纳刻蚀工艺，在二维平面上形成特定形貌和折射率的衍射单元。当激光通过这些衍射单元时，会在一定距离（通常为无穷远或透镜焦平面）处产生干涉，形成特定的光强分布。

图1：衍射光学元件的 A)使用示意；B)外形示意；C)表面微观结构示意

DOE在多个领域展现出巨大应用潜力，其优势主要包括：

1. 高效率：精确设计的衍射单元结构可以确保接近100%的激光能量被投射到所需要的图样上，效率大大高于传统方法。
2. 使用便利：体积小、重量轻，可直接插入光路中使用，且大多数情况下可与标准透镜配合使用。
3. 灵活性：得益于微纳加工技术的发展，DOE可以针对不同的激光器或目标光强/位相分布进行定制。

衍射光学元件选型的基本原则

在选择使用DOE元件时，需要注意以下基本原则：

1. 光的传播规律：衍射光学元件产生的光束在特定景深范围内才能保持特定光强分布，因此在使用时需要权衡光斑形貌、尺寸、工作距离等因素。
2. 参数匹配：DOE通常依据激光的波长、光束口径、光束模式（M2）、近场强度分布来设计，使用参数与设计参数不匹配将导致效果不佳。
3. 入射光角度敏感性：DOE对入射光的角度较为敏感，需要较高的光路调整精度和稳定性。
4. 光路组件要求：由于DOE对位相的精密调控，光路中的其他部件如反射镜、透镜等需要高精度、低波差。
5. 材料选择：根据不同的波长、激光强度要求，DOE可采用石英、玻璃、塑料等材料制作，也可镀增透膜。

光束整形元件

光束整形用DOE可以在工作面上实现指定的光斑形状（如正方形、多边形、长条形、环形及圆形等）及能量分布。

平顶光束发生器

平顶光束发生器可将单横模激光（高斯分布，M2<1.3）变换成为圆形、正方形、长条形等光强均匀、边缘清晰的分布。

图2：平顶光束发生器的使用及效果图

平顶光束发生器的主要特点包括：

• 适用于单横模高斯光束（M2<1.3）
• 最佳效果出现在高斯光束的束腰位置
• 产生的光斑尺寸通常为1.5倍~5倍衍射极限
• 需要低波差的光学元件，有效口径至少为入射光束腰直径的两倍以上
• 目标光束形状及强度分布只能在一定距离范围内保持，通常为光斑尺寸的一半
• 对入射光直径、中心位置、角度等较为敏感

主要应用场景包括激光加工、医美、激光显示、打标与印刷等。

光束匀化器

光束匀化器用于将非均匀、不规则分布的光斑均匀化。与平顶光束发生器相比，光束匀化器更适合多模激光的匀化。

图3：光束匀化器的使用示意图

光束匀化器的主要特点包括：

• 对纵向摆放位置、横向偏移不敏感
• 入射角度偏差会导致零级轻微增加
• 对入射光尺寸、偏振不敏感，对光学元件的质量无特殊要求
• 对M2较小的单模激光匀化效果不佳，但对M2较大的多模激光效果很好

主要应用场景包括激光光强匀化、加工处理、医美、准分子激光器光束整形、热斑抑制等。

环形发生器

环形发生器用于产生环状强度分布的光斑，常见的类型包括涡旋位相板、衍射锥透镜和多环发生器。

图6 涡旋位相板、衍射锥透镜、多环发生器产生的图样

涡旋位相板在高斯光束的波前上施加0 - 2π连续变化的位相，形成空心的环状光强分布。涡旋位相板的使用注意事项包括：

• 输入光需要TEM00单横模
• 所有光学元件要求低波差
• 1阶涡旋位相板将高斯光束变为轴对称TEM01模
• 圆环分布只在焦平面前后一段距离保持
• 对光束中心对位、倾斜均敏感

衍射锥透镜则通过将准直光变换为圆锥面上传输，经过透镜成像后形成环形光斑。其特征包括：

• 环宽度为衍射极限量级
• 中心偏差、角度偏差敏感
• 光束口径、M2、偏振不敏感

主要应用场景包括天文学、光镊、加密、显微与超分辨显微、光刻、原子陷俘、直线加速器等离子体产生、眼科手术、望远镜等。

其他光束整形器

M型光束发生器专门针对线扫描应用，通过构建中心弱、边缘强且锐利的光斑，避免中心过曝导致的刻槽两端弧形问题。

图10：M型光束线扫描强度分布（左）及光斑形貌（右）

衍射分束器

衍射分束器将准直光束分为一维或二维排列的多个光束，每个光束保持原来的特征，以不同的角度出射。其主要类型包括分束器、光束取样器和结构光发生器。

图11：衍射分束器的示例，从左至右：二维分束器、光束取样、编码结构光

分束器在选择时需要考虑出射光束数量、分布（一维或二维）、全角、分离角等因素。常规的分束器提供等角度分离，功率/能量均分。特殊的角度和能量分配也可以订制。分束器适用于单横模或多横模激光，对光束的偏离不敏感，同时适应各种光束形貌。

光束取样器用于对高功率激光进行取样，其+1、-1级衍射光斑分配少量功率并保持原光束的传输特性，以便对高功率激光进行监控和测试；而零级则集中了主要的能量。

结构光发生器可以产生各种订制的光强分布，通过将结构光透射到凹凸不平的表面，通过测量其光强分布的形变，可以计算目标不同位置的深度、运动等。结构光发生器在3-D成像（如人脸识别）、3-D传感（如自动驾驶激光雷达）、机器视觉与计算视觉方面有广阔的应用前景。

焦点衍射元件

焦点衍射元件用于激光聚焦后纵向（沿激光传输方向）的特定分布。根据传播定律，任何光束在聚焦后只能在一定传播距离内保持焦斑的尺寸，超过这个范围光束将发散。焦点衍射元件通过衍射光学构成能够在较长传播距离内保持能量集中度的聚焦特性，保证激光加工的质量。

多焦点衍射元件

多焦点DOE在光轴方向产生多个焦点，每个焦点都可具备衍射极限的尺度，并分配一定比例的激光能量（通常为等分）。这种分布保证了在一定纵深范围内，各个焦点处激光具备同样的功率/能量密度。

图14 五焦点衍射元件（左）；两种不同器件的使用方式（右）

多焦点DOE有两种类型：一种集成了聚焦透镜功能，其焦距、焦点间距是固定的；另一种由DOE产生多焦点效应，而焦距、焦点间距由附加透镜决定。多焦点衍射元件对入射光的位置、角度均敏感。主要应用于眼科、光学传感器、激光切割与钻孔、并行变焦系统、显微等。

贝塞尔衍射元件

贝塞尔衍射元件产生贝塞尔光束，经过聚焦后具备比高斯光束更长的景深，同时具备更大的光斑直径。

图15 高斯光束（下）与贝塞尔光束（上）经过相同透镜后的焦斑轴向分布

贝塞尔衍射元件可直接插入激光加工系统或显微系统中使用，不改变原有的焦距，牺牲一定的横向聚焦特性，得到更长的焦深。与常规聚焦一样，贝塞尔光束的焦斑尺寸和焦深也受激光原有的激光光斑直径、发散角影响。

其他焦点衍射元件

DeepCleave是专门为玻璃切割开发的模组，针对玻璃或其它透明、硬脆材料，超快激光切割是最好的方法之一。当切割厚度达到0.5mm以上时，需要考虑焦斑的焦深。DeepCleave可以实现在1~2mm范围内1.8微米束腰的光斑，尤其适合超快激光玻璃切割应用。

图16 Deepcleave 玻璃切割专用DOE

双波长DOE与消色差透镜

双波长DOE通常用于可见的HeNe激光与远红外CO2激光的色差矫正。通过在平凸透镜的平面增加衍射单元，可以实现CO2激光与HeNe激光的焦点重合，满足医学应用需求；而衍射光学的F-Theta透镜则可以同时实现两种激光的焦距矫正与场矫正，无需在扫描头中配置双波长透镜。

在部分高功率激光应用中，需要使用1064nm、532nm、355nm共轴激光。常规的透镜因为色差无法实现三个波长共焦，而胶合消色差透镜组则有损伤阈值低、温度导致色差、消球差不便以及体积冗大的缺点；采用衍射光学元件可以实现单片消色差、消球差的功能。

图17 CO2/HeNe双波长衍射光学透镜（左）及高功率三波长消色差透镜（右）的功能示意

总结

通过对激光波前位相在微米尺度的控制，衍射光学元件能够生成各种位相分布，主要可实现：

1. 像面上几乎任意形状和分布的光斑
2. 特殊的位相分布
3. 特殊的焦斑轴向分布
4. 数个波长的色差矫正

实现这些功能的同时，衍射光学元件具有体积小、损伤阈值高、使用简单等优势。衍射光学元件在激光加工、光学显微、成像、生物医学、显示与印刷、3-D成像和遥感等等领域有巨大的应用，并将有越来越多的应用被开发出来。