发布时间：2023年10月10日
近年来衍射光栅技术、全息术、傅里叶光学和计算全息等技术推动了衍射光学理论的发展，特别是在衍射光学元件方面的研究已经达到了实用化的水平。衍射光学元件（diffractiveoptical element，DOE）具有高衍射效率、独特的色散性能、更多的设计自由度、宽广的材料可选性，并具有特殊的光学性能，在光学成像技术、微光机电系统等领域中有重要的应用前景。
菲涅尔波带片是早期利用衍射原理的光学元件。相息图元件利用连续的浮雕结构，可以控制能量到某一衍射级次。二元（衍射）光学元件是多阶相位结构。对理想的连续相位轮廓以2为量化倍数，做成台阶状近似，故称为二元（衍射）光学元件。二元（衍射）光学元件具有体积小、重量轻、易于阵列集成和大量复制的特点。下图所示为一个折射透镜演变成为2π模的连续浮雕及多阶浮雕结构表面的二元光学的过程。
二元成像光学元件具备任意相位分布，提供了更多的自由度来校正系统的像差，其主要特点有：特殊色散性质，二元光学元件光焦度与光波长成正比，可见光波段的等效阿贝数约为-3.452，而光学玻璃的阿贝数在20以上，故其与凸透镜组合可以消色差；平像场性质，二元光学元件的场曲为零，单个二元光学元件不需要考虑校正场曲；温度稳定，与普通透镜焦距组合有助于折/衍混合系统的温度稳定作用。还具有薄型元件的性质。 衍射光学元件的主要应用：
1 | 光束整形
（1）平顶光束整形“ Top-Hat ”或“ Flat-Top ”光束整形是衍射光学元件（DOE），用于将近高斯入射激光束转换为圆形，矩形，正方形，线形或均匀强度（平坦）点或在特定工作平面中具有锋利边缘的其他形状。
顶帽（平顶）光束整形器的典型应用包括：激光烧蚀，激光焊接，激光穿孔，激光划线，医疗和美学激光应用。
（2）光束扩散器/光束匀质器英文名为BeamHomogenizer / Optical Diffuser，使用匀化镜能把单模或多模的准直输入光束，转换为能量分布高度均匀的光斑。光斑的波长和形状轮廓都可自定义，形状一般为圆形、正方形、直线、长方形、六边形、椭圆形等任意形状。光束均化镜在许多需要明确定义光斑形状和随机扩散强度分布的应用中有很大作用。通常用于激光焊接、除锈，TOF发射端等领域。
通常输入激光的参数（单模/多模）很大程度上决定了匀光片的输出质量：多模激光在与光束均化器一起使用时实际上具有优势，因为它们较低的相干性会降低斑点的可见性并因此产生比单模激光输入更均匀的能量分布。大体上，我们可以将激光分为两种：
① M2<5的单模激光，其相干性很好，在这种情况下，能实现很陡峭的边界，匀化效果较好，不过不是绝对的均匀（有少量波纹）。对于光束质量较好的入射激光，匀化片还会出现0级衍射的极大点，位于目标光斑正中心。
② M2>5的多模光，这时入射激光通常为发散角较大，而不是一个近高斯的光束。这种情况下，匀化器得到的光斑均匀性会大大加强，得到一个非常理想的平顶，完全消除波纹，同时边界的过渡区会拉长，表现为边界不再陡峭/锐利单模、多模光匀化的优缺点：
单模激光，高斯光束多模激光图案精确性好好均匀性均匀性较好，有暗斑好边界非常锐利M2越大，边界越宽效率可以设计可以设计零级亮点非常敏感，明显几乎没有激光均匀光片的材料一般可以选择熔融石英、塑料、玻璃，适用的波长范围为193nm~10.6um，激光匀化DOE的表面微结构台阶数可设计成2阶、4阶、8阶、16阶，DOE元件的尺寸范围2mm~100mm。DOE可镀增透膜，整体衍射效率达到75% – 98%。
（3）M型光束整形器M型衍射光学元件的作用是把入射激光整形为M型，而M形（M-Shape）指的是激光光斑沿某一方向匀速滑动，积分后的能量均匀分布，即形成一条能量均匀分布的窄直线。
M-Shape激光光斑的这个特性使得其特别适用于激光材料直线加工: 例如激光焊接，激光切割，激光划片，激光烧蚀，激光熔融和强激光焊缝等应用。
（4）衍射多圈激光同心圆图案将激光束转换成多个圆圈。同心圆的光图案最适合于某些3D绘图应用，尤其是对于具有圆柱几何形状的空间。这些应用的一些示例包括气体管道内的照明和成像，交通隧道的映射，以及用于内窥镜检查和结肠镜检查诊断。 圆圈数量，相邻圆圈之间的分离角度以及每个圆圈的能量分布都可以设计定制。
（5） 衍射轴锥镜衍射轴锥DiffractiveAxicon它的主要作用是将入射激光转换成环形的光斑（贝塞尔强度分布）。通常，环形光斑的宽度等于衍射极限光斑的尺寸（输入激光）。衍射轴锥的另一个功能是能沿着光轴把点光源成像在一条线上，成像光斑具有很长的景深（DOF）。环形传播角度（发散角）是衍射轴锥最重要的参数之一，它决定了每个衍射轴锥的不同。
2 | 光束分裂
（1）光束分束器衍射光束分束器（或点发生器）是一种衍射光学元件，用于将单个激光束分成几个光束，每个光束具有原始光束的特性（其功率和传播角度除外）。衍射分束器可以生成1维光束阵列（1xN）或2维光束矩阵（MxN），这取决于元件上的衍射图案。衍射分束器与诸如激光束的单色光一起使用，并且被设计用于其输出光束之间的特定波长和分离角。
光束分束器的典型应用包括：激光划线，如太阳能电池或面板，激光切割，激光穿孔，医疗/美容应用，如皮肤护理，三维传感和投影。
（2）光束采样器激光束采样器允许高功率光束（零级）沿光轴不受干扰地传播，但产生两个低能量的侧光束。这两个样本光束位于主光束的左侧和右侧（-1和+1级），并且通过它们之间的给定分离角和样本功率比来表征。
（3）结构光DOEDOE 衍射光学元件（Diffractive Optical Elements）是基于光的衍射原理，利用计算机辅助设计，并通过半导体芯片制造工艺，在基片上（或传统光学器件表面）刻蚀产生台阶型或连续浮雕结构（一般为光栅结构），形成同轴再现、且具有极高衍射效率的一类光学元件。通过不同的设计来控制光束的发散角和形成光斑的形貌，实现光束形成特定图案的功能。
3 | 光束聚焦
（1）多焦点DOE多焦点DOE英文名为Multifocal lens for lasers，多焦点DOE通常和聚焦镜组成一个光学模组使用，多焦点镜片本身是平面型的DOE，外加的聚焦镜作用是增大焦深（切割深度），使多焦点DOE在传播距离上具有更好的灵活性。多焦点DOE的作用是使激光光束（单模或多模）入射到多焦点DOE元件和聚焦镜后，照射在被切割的透明物体时，能够在传播方向直接线上同时得到多个焦点。焦点之间的间距近乎相等，一般焦点个数为2-15个不等，间距一般为几十到几百微米，各个焦点的能量也基本一致。多焦点DOE主要应用于激光深度切割，例如激光玻璃切割、蓝宝石切割、透明薄膜切割等。
（2）长焦深DOE长焦深DOE的作用是使入射激光在焦距附近产生一个能量近乎均匀分布、焦深的长度达几十微米到几毫米的焦点。相比于普通的激光焦点（能量非常集中，长度和宽度都有限），通过长焦深DOE元件可把激光焦点拉长为原来的几十倍至上百倍，同时宽度基本保持不变。能量均匀的长焦深光斑特别适合对材料进行深度切割。
这种长焦深透镜和多焦点元件互为补充，在激光材料加工等领域有重要应用。
（3）双波长聚焦镜双波长聚焦镜是一种将不同波长的两个入射光聚焦成同一个焦点的衍射光学元件。双波长聚焦镜（Beam Foci Dual wavelength）可以为同时使用两种激光波长的场合供应有效支持。比如二氧化碳激光和氦氖激光，CO2激光和He-Ne激光衍射元件。 双波长聚焦镜能将CO2激光焦点和可见光光束聚焦组合成一个焦点，同时还能矫正CO2激光器和其可见光光束之间的色差。一般选型定制时会根据客户的应用，确定两个波长的焦距。
（4）三波长聚焦镜传统的聚焦镜只能聚焦一个波长，三波长聚焦镜充分利用了衍射光学的原理，通过精巧的表面微结构设计，使得DOE对1064nm,532nm和355nm三个激光倍频波长具有完全相同的聚焦效果，这就为很多激光加工客户提供了极大的便利。三波长聚焦镜也被称为消色差聚焦镜，消色差聚焦DOE，三波长聚焦DOE，DiffractiveAchromat。可以同时聚焦1064nm,532nm,355nm激光。
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