衍射光学元件（Diffractive Optical Elements) ，简称DOE，又称二元光学器件，主要用于激光束整形，比如均匀化、准直、聚焦、形成特定图案等。采用衍射光学元件进行光束整形是近年发展起来的非常方便、灵活、功能强大的光束整形方式。DOE可适用于多种类型的输入激光（如单模高斯激光、多模激光等），在激光焦面上形成指定的光斑形状和光强分布，还可以实现在激光传播方向特定的光强分布。典型的功能包括：产生平顶分布圆光斑或矩形光斑；产生线形分布光斑；将非均匀多模激光进行匀化；产生环形以及多环等光斑分布；产生一维、二维多束激光分布；在传输方向上形成多焦点以及长焦深分布等。随着国内外市场对激光光束变换的迫切需求，基于衍射光学的各类解决方案越来越受到市场的重视，尤其在平顶整形领域，多焦点切割等方面应用拥有核心自主知识产权。不仅如此，诸如分束、匀光、长焦深、涡旋光束、点阵、特征图形等元件及模块在各领域也有重要应用。

衍射（Diffraction）是光“绕开”障碍物传播的现象，也叫绕射。几何光学认为光在均匀介质中沿直线传播，所以绕射有悖于几何光学对光路的预测。但绕射的原理其实也很好理解，光既然是一种波，我们可以用声波来类比它，波前上任一点都可以是一个源，产生出新的波形继续向外传播，因此“绕开”障碍物的光相当于是波前上的点“衍生”出来的，这就是把这种现象叫做衍射的理由。关于衍射原理可参考上一篇文章《激光器专题（八）：光学谐振腔的理论知识》中提到的惠更斯菲涅尔衍射理论。DOE的光学整形原理就是基于光波的衍射现象。传统的光学元件，如透镜和反射镜，主要是通过折射和反射来操纵光波，而DOE则是通过其特殊的结构使光波在通过时发生衍射，从而实现对光波传播方向、相位和振幅的精确控制。具体来说，DOE通过其表面结构的微小变化来调制入射光的波前。这些结构可以是规则的或者根据特定算法设计的，以产生期望的衍射模式。DOE的制造通常采用半导体加工技术，如光刻和蚀刻，以实现纳米或亚微米级的结构精度。当光线通过DOE时，根据衍射光学原理，不同的空间频率成分会以不同的角度衍射出去，形成特定的光束形状和分布。通过精心设计DOE的相位和振幅分布，可以实现对出射光波前的高度控制。这种控制包括对光束的聚焦、准直、扩展或压缩，以及产生特定的光束形状，如高斯光束、环形光束、平行光束等。在激光切割应用中，多焦点DOE技术可以通过产生多个均匀分布的焦点来实现对材料的深度切割。由于激光的焦点深度通常有限，而材料的厚度可能远大于这个焦深，多焦点DOE就能够通过扩展焦深区域，使得激光能量在材料内部形成一个较宽的切割区域，从而实现高质量的切割效果，避免因焦点深度不足导致的切割不完全、裂纹和切口粗糙等问题。综上所述，DOE的光学整形原理是通过其独特的微结构设计，对光波的衍射进行精密调控，以此来实现对光束形状、传播方向和相位-振幅特性的精确控制，进而用于各种光学应用，包括激光切割、光学成像、光通信和生物医学成像等领域。

DOE的应用分类

DOE根据用途主要可分为：整形、分束、多焦、结构光和其它特殊光束产生。

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型光束发生器、衍射锥透镜等，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。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）。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(结构光则不是，它只负责产生结构光，而不保证保持原光束特征)，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(而普通的光栅则不行，不能任意分配)。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。例如：达曼光栅是一种具有特殊孔径函数的二值相位光栅，其对入射光波产生的夫琅和费衍射图样是一定点阵数目的等光强光斑，完全避免了一般振幅光栅因函数强度包络所引起的谱点光强的不均匀分布。与其他衍射结构的光学分束器相比，达曼光栅属于傅里叶变换型的分束器，具有光斑阵列光强均匀性，不受入射光波分布影响和可以产生任意排列的点阵等优点。结构光，就是点、线、面结构光。结构光发生器可以产生各种订制的光强分布：形状，纹路，周期等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3D成像（如人脸识别），3D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。 

具体应用举例：

1、平顶光束整形器，高斯光整平顶光DOE

平顶光束整形器又称为聚焦型平顶光束整形元件、激光平顶光斑透镜，其作用是获得能量分布均匀、边界陡峭，同时具有特定形状的平顶光斑（Top-hat）。光斑尺寸一般在几十微米到几百微米的范围，光斑形状可以是圆形，矩形，正方形，直线，椭圆或定制图形，具有非常好的能量均匀性，能够实现各种高精度的激光加工应用。

2、M波形衍射光学元件

M波形衍射光学元件的作用是把入射激光整形为M波形（M-Shape），而M波形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加工。

3、C形光束整形元件

C形光束整形器元件，主要应用在激光焊接加工工艺领域。C形强度分布在宽度/深度比方面具有优势，通过给气泡一个逃逸焊缝的地方来减少氧化和消除热裂纹。

4、多焦点透DOE，长焦深DOE

如下图左所示，多焦点DOE是利用对照射到镜片不同局域的入射激光分别聚焦，在轴向传播方向上同时得到多个焦点，各焦点的能量、间距几乎相等，特别适合于深入透明材料内部加工，例如激光深度切割，****切割，0.1~1mm的玻璃或蓝宝石切割。如下图右所示，长焦深DOE能够把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。激光焦点可拉长为原来的几十倍，且宽度基本保持不变。能量均匀的长焦深光斑特别适合对材料进行深度切割。长焦深DOE和多焦点DOE互为补充，特别适合于激光材料加工领域。例如激光透明材料的切割（玻璃，蓝宝石等），激光度量学，激光过程监控/监测、显微镜等。

5、光束均化器（匀化镜/匀光片）

光束均化器又称为匀化镜或匀光片，其作用是使激光的光束以一个较大的角度均匀发散，从而使激光能量在一个较大的范围内均匀分布。激光匀化器和平顶光束整形器都是形成一个能量均匀分布的激光光斑，而两者的区别在于出射光束角度不同到导致的光斑尺寸不同，平顶光束整形器获得的光斑尺寸一般为微米量级，而激光匀化器输出毫米级的均匀光斑。

6、衍射分束器

衍射分束器(点阵分束器)是最基本的衍射光学元件之一，它的作用是把单个入射光分几束或多束，且每束光都具有原始光束的特性（除了其功率和传播角度变化，不改变初始光束的直径、发散角和波前分布）。分束器的输出可以是一维排布，也可以是二维排布，也可以实现线光斑阵列，排布完全可以由用户定制。

7、螺旋相位片，激光涡旋透镜

螺旋相位板（Vortex Lens）是得到相位连续变化的一种常用DOE元件，其作用是产生直径较小的圆环形光斑（Vortex），光斑的外观像一个漩涡状的圈，也称为漩涡光。螺旋相位片是获得漩涡光最直接最简单的方法，它能够方便地设计漩涡光的直径和拓扑荷数，满足用户的实际需求。

8、衍射轴锥镜，圆环激光发生器，多圆环激光发生器，同心圆环激光透镜

下图左所示，衍射轴锥镜又称为圆环激光发生器（Ring Axicon），其作用是使激光光束通过后变成一个圆环，即激光能量以圆环/圆形的方式分布，这里圆环的宽度一般很窄，不同于激光涡镜头产生的光斑都具有一定宽度。下图右所示，多圆环激光发生器的能够把入射光束转化为多个同心圆环（Ring Concentric circles），这些圆环的半径都可控切且圆环的宽度都很窄，类似于圆环激光发生器。圆环的直径、数量均、圆环之间的分离角度和每个圆的能量分布均可定制，从而得到多种不同的同心圆环激光图形。

如何选择DOE元件

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。

6、衍射光学器件的色散与玻璃材料无关，仅与波长相关，即不管构成衍射器件的材料折射率如何，只要在同一波段内，就具有相同的色散能力。再者，衍射光学器件的阿贝数与传统玻璃的阿贝数符号相反，并且其绝对值比传统玻璃材料小，说明衍射光学器件具有较强的色散。进一步分析发现，衍射光学器件因衍射产生的部分色散和光学材料因折射产生的部分色散有很大不同，传统光学材料在短波波段表现出较大的色散，在长波波段色散较小，而衍射光学器件的变化情况恰好相反，因此有利于二级光谱的校正。

7、折射元件的光热膨胀系数由光学材料的线膨胀系数和折射率温度系数共同决定，而衍射光学元件的光热膨胀系数只是基体材料的线膨胀系数有关，而与材料的折射率特性无关。

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