一、衍射光學元件簡介

衍射光學元件（DOE）是相位元件，它使用嵌入在元件中的薄微結構將輸入激光束控制為各種輸出輪廓和形狀。衍射光學器件可實現許多功能和光操作，而這在標準折射光學器件中是不可行的。在許多應用中，這些功能非常有益，可以顯著提高系統性能。

衍射光學元件問世后在高功率激光、激光加工、激光醫療、顯微成像、激光雷達、結構光照明、激光顯示等等領域展現了巨大的應用潛力，其優勢主要在于：

1) 高效率。精確設計的衍射單元結構可以確保接近100%的激光能量被投射到所需要的圖樣上，效率大大高于掩膜等手段；

2) 使用便利。衍射光學元件具備非常小的體積和重量，插入光路中即可使用；大多數情況下可配合標準的透鏡、場鏡、顯微物鏡等使用；

3) 靈活性。得益于微納加工技術的長足發展，DOE可以針對不同的激光器或不同的目標光強/位相分布進行訂制。同時，DOE應用的光路結構非常簡單，在使用中搭配不同的透鏡，可實現不同幾何尺寸的光斑。

作為一種新型的光學器件，在選擇/使用衍射光學元件時需要對它的特性有所了解。

二、衍射光學元件選型的基本原則

根據不同的用途，DOE通常可以分為光束整形、分束、結構光、多焦、其他特殊光束產生等種類；每種品類有不同的原理、設計和應用特點。一般而言，在選擇使用DOE元件之前需注意以下原則：

1) 衍射光學元件產生的光束也不能違背光的傳播規律；其構建的特定光強分布只能在一定景深范圍內存在。因此在使用時，所需的光斑形貌、尺寸、工作距離、景深等有時不可兼得，需要做出權衡；

2) 衍射光學元件通常依據激光的波長、光束口徑、光束模式（M2）、近場強度分布來設計，因此在選擇前應較為準確的測量這些參數。使用參數與設計參數不匹配將導致使用效果不佳甚至無法使用；

3) 衍射光學元件對入射光的角度敏感，需要較好的光路調整精度和穩定性；

4) 大部分衍射光學元件對入射激光的波前位相進行精密調控，因此光路中的其他部件如反/ 透射鏡片，透鏡等要使用高精度、低波差的器件，否則會影響最終的效果；

5) 和常規透射光學元件一樣，根據不同的波長、激光強度的要求，衍射光學元件可采用石英、玻璃、寶石、塑料與樹脂、ZnSe等紅外材料制作，也可鍍增透膜。

三、光束整形元件

光束整形用DOE，可在工作面上實現指定的光斑形狀（正方形、多邊形、長條形、環形及圓形等）及能量分布(如平頂、高斯、環形、M型等）。

四、衍射分束器（多光束衍射元件）

衍射分束器將準直光束分為一維排列或二維排列的多個光束，每個光束保持原來的特征，以不同的角度出射。衍射分束器本質上是光柵結構，其出射角滿足光柵方程。通過精心的設計二元或多元的衍射單元結構，可實現各路輸出之間的能量分配。復雜的衍射分束器可產生大角度的寬場照明以及特定圖樣的光斑分布。

一維或二維陣列光束，通過透鏡聚焦后可形成焦點陣列，用于高功率激光并行加工。

五、焦點衍射元件

與前述幾類衍射元件主要在特定工作面或一定景深范圍內，產生橫向（垂直于激光傳輸方向）平面的光強分布不同，焦點衍射元件用于激光聚焦后縱向（沿激光傳輸方向）的特定分布。

根據傳播定律，任何光束在聚焦后只能在一定傳播距離內（通常是瑞利長度）內保持焦斑的尺寸，超過這個范圍光束將發散。在激光切割、鉆孔等應用中，當加工深度較大時，這種特性常常造成困擾。焦點衍射元件應運而生，通過衍射光學構成能夠在較長傳播距離內保持能量集中度的聚焦特性，保證激光加工的質量。

這方面的器件主要有多焦點DOE、貝塞爾DOE等。

衍射光學元件在激光加工、光學顯微、成像、生物醫學、顯示與印刷、3-D成像和遙感等等領域有巨大的應用，并將有越來越多的應用被開發出來。

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