什么是DOE元件？

衍射光學元件（Diffractive Optical Elements, DOE）是一種基于光波衍射原理，通過微納階梯結構或者液晶聚合物分子排布對光波前進行精確調控的光學器件。其實現結構分為刻蝕DOE與液晶聚合物DOE。

圖1 液晶聚合物DOE實物圖

此處以LBTEK麓邦DOE為例，麓邦已經在微納光子學和光學裝備這個領域深耕多年，主要圍繞拓撲光子學、超表面位移測量、多焦點微納加工這些前沿方向，靠著自主的液晶微納光子學技術，他們還建起了國內第一條能規模化量產的生產線，加上加工設備和成熟工藝，做出來的微納光學元件在設計靈活度、精度和穩定性上都有保障。

在光束控制上，麓邦有高精度相位板、衍射透鏡、分束器等關鍵器件，能搞定光束勻化、波前整形、能量分配等各種場景需求。尤其是他們自研的勻化型 DOE 元件，用了相位調制和表面浮雕工藝，吸收率低、抗激光損傷能力強，能把高斯光束高效整形得更均勻，特別適合可見光和近紅外波段、高能量密度的使用場景。

為什么要用DOE元件做光束整形？

• 體積小，重量輕，光路簡單，只需要一片DOE鏡片插入光路中即可完成整形需求；（無論是SLM空間光調制器、非球面勻化鏡頭體積都很大，微透鏡陣列只適合做大尺寸的勻化整形且需要多模光入射，勻化光纖需要配套激光器與特制的鏡頭）

• 極致的設計靈活性（形狀 / 分布任意定制）；（可定制方形、矩形、圓形、三角形等多種形狀，復雜的圖案化、文字化均可）

• 整形精度更高加工效果更好

圖2 高斯光斑（左）和勻化光斑（右）加工后表面形貌

綜上，選擇 DOE 的根本原因：用最小體積、最高效率、最靈活設計，實現最精準光場控制。它是單片元件替代復雜光學組的最優解，尤其適合高功率、高精度、集成化的現代激光系統。

DOE的結構與分類

1.1 石英刻蝕DOE

衍射光學元件（Diffractive Optical Elements, DOE）核心工作原理源于惠更斯-菲涅爾衍射理論：當光波入射至DOE表面時，其表面的微米或亞微米級浮雕結構對不同位置的光引入特定相位延遲，各點作為次波源發出的子波在傳播中發生干涉疊加，最終在目標平面形成預設的光強分布，實現光束整形。

DOE的結構通常為在石英、玻璃或聚合物基底上通過電子束刻蝕、激光直寫等微納加工技術制備的周期性或非周期性臺階狀、連續浮雕結構。這些結構等效于相位型衍射光柵，通過精確設計每個單元的形狀、深度與分布，可調控出射光的相位分布，實現高衍射效率（通常可達85%以上）與低雜散光。

圖3 石英刻蝕DOE微結構與工藝流程示意圖

（不同高度的臺階，光通過的玻璃厚度不一樣，光程不一樣就產生了光程差（相位差），這種差異的組合就可以對光束能量分布進行調制了）

1.2 聚合物液晶DOE

液晶衍射光學元件（Liquid Crystal Diffractive Optical Elements, LC-DOE）是一類特殊的衍射光學器件，它結合了液晶材料的電光特性與衍射光學原理。與傳統基于固定微納浮雕結構的熔融石英或二元光學DOE不同，液晶DOE利用液晶分子的排列特性來實現對光波相位的調制。

液晶DOE器件一般為三明治結構，由兩層玻璃或石英基板夾一層um級的液晶功能薄膜層組成。制成鏡片形式的為固定排列的液晶分子結構，其相位和功能不可改變。

圖4 液晶DOE實拍圖（偏振片下能觀看到相位圖案）

圖5 液晶DOE勻化效果實測圖展示

1.3 兩種DOE參數解析對比

圖6 液晶與石英勻化DOE參數對比

1.4 DOE特點與使用

① 入射DOE的激光要求

• 激光波長與DOE設計波長一致

• 單模激光入射，M2＜1.3（DOE的整形過程可以看作成一個精密調控轉化的過程，入射光的能量分布與整形光斑是一一對應的，入射光束分布越規則，M2越接近1，轉換結果越精確，整形效果越好）

• 準直平行光入射

• 功率低于損傷閾值

② 偏振特性

• 液晶DOE：隨機偏振

• 刻蝕DOE：無要求

③ 平頂光斑尺寸局限性（與衍射極限尺寸DL相關）

• 液晶DOE：1.5DL-15DL

• 刻蝕DOE：1.5DL-8DL

④ 適用波長相關性：單波長，設計波長±5nm之內，盡可能一致

⑤ 液晶DOE與刻蝕DOE優劣勢

液晶DOE：

• 優勢：成本更低、制作周期更短、整形精度效果更優（階數高）、紅外激光整形加工不二之選

• 劣勢：紫外光失效、高功率（≥2Kw）應用不穩定、對偏振有一定要求

刻蝕DOE：

• 優勢：紫外-紅外寬波段均可應用、純石英結構適用高功率應用

• 劣勢：成本高、加工周期長、最高16階（階數越高、加工難度越高、成本越高，液晶則無太大區別）

平頂勻化DOE的應用介紹

1. 光伏領域-BC刻蝕開膜、TOPCon減薄、Si層激光氧化等

部分太陽能電池采用背接觸結構，將所有電極和導電路徑置于電池背面，以減少表面陰影遮擋，提高光電轉換效率。激光劃槽是這一工藝的關鍵步驟，但傳統高斯光斑劃槽易出現切邊不齊、深度不均、邊緣掛渣等問題，影響加工質量。勻化光斑在激光劃槽中具顯著優勢。它能確保能量密度一致，減少劃槽深度和寬度不均的問題；同時，通過均勻能量分布，減少邊緣缺陷和微裂紋，降低機械應力，提升硅片的強度和可靠性。

圖7 平頂勻化DOE在太陽能電池領域的應用

2. 半導體：晶圓鍵合與解鍵合、Low-k晶圓開槽、均勻照明等

常用的晶圓切割方式包括砂輪（或刀輪）切割、激光燒蝕切割、激光隱形切割等，其中激光切割的應用越來越廣泛。激光切割也分為激光半切、激光全切、激光隱形切等工藝，激光開槽與砂輪切割結合的方式屬于激光半切的一種類型。在切割質量方面，相比僅采用砂輪切割，激光開槽與砂輪切割結合的方式能夠有效控制晶圓切割的正崩，提升加工質量，同時可將砂輪切割的速度提升 2~3 倍，從而大大提高加工效率。

圖8 平頂勻化DOE在半導體領域的應用

DOE使用注意事項與調試指南案例

1. DOE在使用過程中的注意事項

1. 激光器波長與DOE設計波長必須匹配，最差不要超過±5m；

2. 激光器光束質量需M2＜1.3，越接近1整形效果質量越好；

3. 進入DOE的激光束必須是準直光束；

4. DOE必須裝在X/Y可調的安裝架上，以保證入射光束與DOE同軸；

5. 液晶DOE不可用在藍光與紫光激光下，液晶分子會失效。刻蝕DOE無影響；

2. DOE使用調試指南（后附調試光斑現象仿真參考圖）

案例說明：你在調試一套勻化DOE的激光加工系統，加工系統如下圖所示，那么你的操作步驟如下：

探測儀器：光束質量分析儀

圖9 平頂勻化DOE在激光加工光路中（LBTEK）

Step1: 不裝DOE，首先調節擴束鏡的發散角，使光束焦點打在工作面上（強烈建議使用光斑分析儀觀察，不然只能通過點看火花粗布判斷）。判定標準：光斑尺寸最小，火花最亮；

Step2: 調節放大倍率，擴束后的準直光斑尺寸與DOE設計時提要求的光斑尺寸盡可能一致。（可通過聚焦光斑尺寸計算，計算公式參考公眾號前幾篇文章）

Step3: 裝入帶有X/Y+旋轉調節的DOE鏡架（如下圖）

圖10 一種X/Y+旋轉功能的鏡架（LBTEK）

Step4: 分別調節X/Y旋鈕，同時觀察聚焦光斑形態，直至光斑形態略有方形，并對稱。若此時光斑不方，有點枕形或者桶形，則可能是入射光斑偏大或者偏小；

Step5：根據光斑形態，適當調節擴束鏡放大倍數（需要配合調節發散角，因為倍數調節變了發散角旋鈕也需要對應改變），觀察光斑變化情況，同時輔以X/Y調節直至光斑達到當前可調節的最優形態；

Step6: 重復3-4步驟，直至光斑形態方正，邊緣銳利，能量分布均勻即可；

Step7: 鎖死調節機構。

3個核心：入射光束尺寸要與設計值一致、光束要準直、DOE與入射光束要同心

常見調不好的原因：

1. 激光器光束質量差，導致勻化程度或者光斑形態不理想，調不好；

2. 入射光束尺寸偏大或者偏小；

3. 離焦，光斑位置不在焦面上；

4. DOE存在質量問題；

5. 激光器在不同功率下光束質量不一致（例如有些激光器低功率下光束質量較差，需要開到50%以上或者滿功率光束質量才能滿足標稱需求）

附錄：不同調試條件對勻化光斑的影響

① 波長偏離設計影響：波長偏離設計主要體現在液晶聚合物薄膜的鍍膜延遲量誤差，影響聚合物勻化DOE的衍射效率，過大的偏離誤差會導致出射光斑零級過強而不均勻（零級就是未被DOE調制產生衍射角度的光束，準直入射DOE后準直輸出，這部分占比整個光束能量極小，但因為是準直光束，會被聚焦鏡聚焦成一個小焦點，能量密度較大。一般只有液晶DOE會存在這種現象，需要特別注意。表現為勻化光斑中心出現一個亮點）

②  X/Y偏心影響：X/Y偏心主要體現為入射光斑未通過DOE通光孔徑中心，影響衍射光斑的均勻度，偏心嚴重會導致出射光斑光強分布不均勻。

圖11 勻化光斑隨入射光斑X/Y方向偏移變化

③  輸入光束直徑：入射光斑大小需要與設計光斑尺寸符合，相差大會導致出射光斑四周光強過大或過小，影響最終勻化整形效果。

圖12 焦面衍射強度隨入射光斑半徑w變化

④入射光傾斜：入射光斑傾斜會導致入射光經過的液晶聚合物膜層厚度增加，使延遲量發生變化從而影響衍射效率；入射光傾斜也會導致入射光經過DOE時出現偏心而影響出射光斑均勻度。

⑤ 離焦影響：經過設計的聚合物勻化DOE，只能在設計焦面上產生預期的勻化整形光斑，若偏離焦面會導致出射光斑強度分布不均勻。

圖13 焦面衍射強度隨工作距離z變化

總結

總的來說，本篇文章大致介紹了一下平頂勻化DOE鏡片的原理與應用，大部分的篇幅都在介紹它的相關特性，旨在讓更多的朋友更深入的了解勻化DOE，更好的使用DOE，讓它發揮出應有的價值，也為大家節省調試與研究的時間。

在寫這個類目內容是時候，結合了很多以往經驗，也梳理了很多相關產品，感覺很驚喜的是LBTEK的DOE衍射光學元件，技術確實很扎實。自主研發的光束勻化、整形方案都挺穩定的，在激光加工、3D打印、精密檢測這些場景很實用。上周在慕尼黑光博會，還有朋友現場看了DOE勻化效果，國產光學真的越來越穩了。

隨著激光加工的方式越來越成熟，我們能夠在效率與總質量上突破的可選擇性越來越少，光束整形是為數不多的重要途徑之一了！不管是鋰電、半導體、光伏還是3D打印，大家都在擁抱光束整形帶來的變化，而DOE這種簡單、高效的整形方式無疑會成為未來光束整形眾多方式中的絕對主流。（本文來自微信公眾號“光啟航”）

武漢新特光電作為以色列Holo/Or在中國的授權官方合作伙伴，同時也是國產品牌LBTEK（麓邦）的戰略合作伙伴，能夠同時提供這兩大品牌的衍射光學元件（DOE）。在光場調控領域，無論是面向激光加工、3C電子、新能源電池加工、顯示及光學實驗系統等行業，還是針對光束整形、分束、平頂光轉換等具體應用，我們均可提供極具競爭力的光學解決方案，充分滿足科研及工業客戶多樣化的實驗與生產需求。了解產品詳情請查閱：https://www.sinteclaser.com/optical/beam-shaping.html和https://www.sinteclaser.com/optical/micro-optics.html

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