衍射光学元件 DOE 介绍与分类 - 筱晓光子实验室

一、衍射光学元件简介
衍射光学元件（Diffractive Optical Element，DOE）是近几年蓬勃发展的新兴光学元件。DOE通常采用微纳刻蚀工艺构成二维分布的衍射单元，每个衍射单元可以有特定的形貌、折射率等，对激光波前位相分布进行精细调控。激光经过每个衍射单元后发生衍射，并在一定距离（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。

衍射光学元件问世后在高功率激光、激光加工、激光医疗、显微成像、激光雷达、结构光照明、激光显示等等领域展现了巨大的应用潜力，其优势主要在于：
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，效率大大高于掩膜等手段；
2) 使用便利。衍射光学元件具备非常小的体积和重量，插入光路中即可使用；大多数情况下可配合标准的透镜、场镜、显微物镜等使用；
3) 灵活性。得益于微纳加工技术的长足发展，DOE可以针对不同的激光器或不同的目标光强/位相分布进行订制。同时，DOE应用的光路结构非常简单，在使用中搭配不同的透镜，可实现不同几何尺寸的光斑。
作为一种新型的光学器件，在选择/使用衍射光学元件时需要对它的特性有所了解。本文以以色列HOLO/ OR公司产品及技术为例，简要描述如何选择合适的DOE元件。

二、衍射光学元件选型的基本原则
根据不同的用途，DOE通常可以分为光束整形、分束、结构光、多焦、其他特殊光束产生等种类；每种品类有不同的原理、设计和应用特点。一般而言，在选择使用DOE元件之前需注意以下原则：
1) 衍射光学元件产生的光束也不能违背光的传播规律；其构建的特定光强分布只能在一定景深范围内存在。因此在使用时，所需的光斑形貌、尺寸、工作距离、景深等有时不可兼得，需要做出权衡；
2) 衍射光学元件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，因此在选择前应较为准确的测量这些参数。使用参数与设计参数不匹配将导致使用效果不佳甚至无法使用；
3) 衍射光学元件对入射光的角度敏感，需要较好的光路调整精度和稳定性；
4) 大部分衍射光学元件对入射激光的波前位相进行精密调控，因此光路中的其他部件如反/ 透射镜片，透镜等要使用高精度、低波差的器件，否则会影响最终的效果；
5) 和常规透射光学元件一样，根据不同的波长、激光强度的要求，衍射光学元件可采用石英、玻璃、宝石、塑料与树脂、ZnSe等红外材料制作，也可镀增透膜。

三、光束整形元件
光束整形用DOE，可在工作面上实现规定的光斑形状（正方形、多边形、长条形、环形及圆形等）及能量分布(如平顶、高斯、环形、M型等）。
1) 平顶光束发生器(Top hat generator)
平顶分布应用在激光医美、激光加工、表面处理等多种场景中。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

平顶光束发生器的使用特点：
· 适用于单横模高斯光束，M2 < 1.3；
· 平顶发生器放置于高斯光束束腰时效果佳；
· 平顶发生器不能产生尺度小于衍射极限的光斑，通常为1.5倍~5倍衍射极限；
· 平顶发生器在使用时，光学元件要求低波差，同时有效口径要在入射光束腰直径的两倍以上，最好2.5倍；
· 目标光束形状及强度分布只能在一定的距离范围内保持，通常为光斑尺寸的一半；
· 对入射光直径、入射光中心位置、入射角度等均较为敏感。
平顶光束发生器的主要应用：
· 激光加工与处理：微孔，钻孔，焊接，切割，划线，熔蚀
· 医学与美容
· 激光显示
· 打标与印刷
2) 光束匀化器 (Optical Diffuser/ Homogenizer)
光束匀化器也可产生各种形状、能量均匀分布（或特定分布）的光斑。与平顶光束发生器将高斯光束变为平顶分布不同，光束匀化器将非均匀、不规则分布的光斑均匀化；平顶光束发生器适合单模（M2<1.3）激光使用，光束匀化器对多模激光的匀化效果更好。

图3：光束匀化器的使用示意图

光束匀化器通常以“漫射角(diffusion angle)"来表征准直光束经过器件后的发散能力。可以选配不同焦距的透镜来实现不同的投射面积。
光束匀化器的使用特性：
· 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，有干涉条纹，但图样边沿清晰；对M2 较大的多模激光匀化效果很好，但边沿略模糊。

图4 光束匀化器对单模（左）、多模（右）激光的匀化效果

针对单模激光如有匀化要求，一般推荐使用平顶发生器，在不能使用平顶发生器的场合（如光斑M2较小，但强度分布不规则），HOLO/ OR 提供“高均匀度"系列产品来提升均匀性。

图5 标准（HM）与高均匀（HH）产品对TEM00激光的匀化效果

光束匀化器的主要应用：
· 激光光强匀化，整形
· 加工与处理：打孔，熔蚀，打标，划线，焊接
· 医美
· 准分子激光器光束整形
· 热斑抑制
3) 环形发生器
环形发生器用于产生环状强度分布的光斑。常用的环形发生器有涡旋位相板、衍射锥透镜、多环发生器等。

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（Spiral Phase Plate, Vortex）
涡旋位相板在高斯光束的波前上，沿圆周方向施加0 - 2π连续变化的位相；具备涡旋位相的光束，在远场或透镜焦面形成空心的环状光强分布。
沿圆周方向旋转一周，位相在0 - 2π连续变化的次数称为涡旋位相板的“拓扑荷"或“拓扑阶"。相同焦距情况下，阶次越高的位相板，形成的环尺度越大。

图7：上：1~4阶涡旋位相板的表面形貌（相延）示意图下：1 ~ 4阶涡旋位相板形成的远场强度分布图

涡旋位相板通常配合透镜使用。其在使用中的注意事项和特性如下：
· 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；
· 1阶涡旋位相板在焦平面形成的圆环尺度与高斯光束的衍射极限相当；
· 圆环分布只在焦平面前后一段距离（约为光斑尺寸的一半）保持；
· 对光束中心对位、倾斜均敏感；较大的输入光斑有助于降低敏感度。

除了产生环形结构外，涡旋光本身的位相特征也被很多物理实验所利用。
Holo/ or 公司还提供一种矩形涡旋位相板，对光束尺寸不敏感、对离焦、偏心敏感度较低。
如光源为多模激光，需要产生环形结构，可采用衍射锥透镜。
环形发生器（涡旋位相板）的主要应用：
· 天文学
· 光镊
· 加密
· 显微与超分辨显微
· 光刻
衍射锥透镜（Diffractive Axicon）
锥透镜被广泛用于激光加工中产生贝塞尔光束，以实现较大的焦深。在锥透镜上加以衍射光学技术，可将准直光变换为圆锥面上传输。经过透镜成像，可以实现环形光斑。如用于点光源，可形成沿轴向分布的焦线。
对光束直径、衍射锥透镜的位置加以调整，可实现不同的直径以及不同的粗细的环：

图9 调节环形结构的粗细（上）以及直径（下）

衍射锥透镜的特征：
· 环宽度为衍射极限级（折射/多层型为1.75倍衍射极限，二元衍射结构为1倍）
· 中心偏差、角度偏差敏感；
· 光束口径、M2、偏振不敏感；
衍射锥透镜的主要应用：
· 原子陷俘
· 直线加速器等离子体产生
· 环形光斑眼科手术
· 太阳光聚光器
· 激光锥镜腔
· 激光钻孔/ 微孔
· OCT
· 角膜手术
· 望远镜
 多环发生器
Holo/ or 可提供多达上百环的环形光束发生器。多环发生器较为适合轴对称3-D形貌的照明，因此常用在3-D形貌仪以及机器视觉领域。
4) 其他光束整形器
M型光束发生器
针对线扫描应用中，高斯型/平顶型光斑会导致中心过曝的情况，导致刻槽两端为弧形。M型光束发生器在工作面上构建中心弱、边缘强且锐利的光斑，避免这种情况发生。

图10：M型光束线扫描强度分布（左）及光斑形貌（右）

 
四、衍射分束器（多光束衍射元件）
衍射分束器将准直光束分为一维排列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。衍射分束器本质上是光栅结构，其出射角满足光栅方程。通过精心的设计二元或多元的衍射单元结构，可实现各路输出之间的能量分配。复杂的衍射分束器可产生大角度的宽场照明以及特定图样的光斑分布。
一维或二维阵列光束，通过透镜聚焦后可形成焦点阵列，用于高功率激光并行加工。

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

1）分束器

图12 左：奇/偶数分束器的光束分布；右：分束器配合透镜构成聚焦阵列

分束器在选择时首先需要考虑所需要的出射光束数量、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。
2）光束取样器
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。
图11中间图样展示了光束取样器的功能和效果。
3）结构光发生器
结构光发生器可以产生各种订制的光强分布：形状，纹路，周期......。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。
图13 显示了结构光发生器产生的部分规则光强分布；图11右图则展示了通过结构光发生器产生的复杂二维编码。

图13 结构光发生器产生各种规则分布示例

五、焦点衍射元件

与前述几类衍射元件主要在特定工作面或一定景深范围内，产生横向（垂直于激光传输方向）平面的光强分布不同，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（通常是瑞利长度）内保持焦斑的尺寸，超过这个范围光束将发散。在激光切割、钻孔等应用中，当加工深度较大时，这种特性常常造成困扰。焦点衍射元件应运而生，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。
这方面的器件主要有多焦点DOE、贝塞尔DOE等。
1）多焦点衍射元件

图14 五焦点衍射元件（左）；两种不同器件的使用方式（右）

多交点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。
如图14 （左）所示，多焦点DOE有两种类型；一种类型集成了聚焦透镜功能，其焦距、焦点间距是固定的；第二种类型由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。
多DOE主要用于眼科、光学传感器、激光切割与钻孔、并行变焦系统、显微等。
2）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。
3）其他焦点衍射元件
l DeepCleave 超快激光玻璃切割专用模组

图16 Deepcleave 玻璃切割专用DOE

 
DeepCleave为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，超快激光切割是好的方法之一。当切割厚度达到0.5mm以上式，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（左）显示了DeepCleave（蓝色）与常规贝塞尔DOE（红色）产生的焦斑的能量密度沿光轴的分布。DeepCleave可提供相当长距离内均一的激光强度。
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

小 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。下一期将介绍衍射光学元件的部分应用。