衍射光学元件DOE的分类与选型

一、衍射光学元件简介

衍射光学元件（DOE）是相位元件，它使用嵌入在元件中的薄微结构将输入激光束控制为各种输出轮廓和形状。衍射光学器件可实现许多功能和光操作，而这在标准折射光学器件中是不可行的。在许多应用中，这些功能非常有益，可以显着提高系统性能。

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。

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，可在工作面上实现指定的光斑形状（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）。

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。

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。

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。