衍射光學(xué)元件（Diffractive Optical Elements) ，簡稱DOE，又稱二元光學(xué)器件，主要用于激光束整形，比如均勻化、準(zhǔn)直、聚焦、形成特定圖案等。采用衍射光學(xué)元件進(jìn)行光束整形是近年發(fā)展起來的非常方便、靈活、功能強(qiáng)大的光束整形方式。DOE可適用于多種類型的輸入激光（如單模高斯激光、多模激光等），在激光焦面上形成指定的光斑形狀和光強(qiáng)分布，還可以實(shí)現(xiàn)在激光傳播方向特定的光強(qiáng)分布。典型的功能包括：產(chǎn)生平頂分布圓光斑或矩形光斑；產(chǎn)生線形分布光斑；將非均勻多模激光進(jìn)行勻化；產(chǎn)生環(huán)形以及多環(huán)等光斑分布；產(chǎn)生一維、二維多束激光分布；在傳輸方向上形成多焦點(diǎn)以及長焦深分布等。隨著國內(nèi)外市場對激光光束變換的迫切需求，基于衍射光學(xué)的各類解決方案越來越受到市場的重視，尤其在平頂整形領(lǐng)域，多焦點(diǎn)切割等方面應(yīng)用擁有核心自主知識產(chǎn)權(quán)。不僅如此，諸如分束、勻光、長焦深、渦旋光束、點(diǎn)陣、特征圖形等元件及模塊在各領(lǐng)域也有重要應(yīng)用。

衍射（Diffraction）是光“繞開”障礙物傳播的現(xiàn)象，也叫繞射。幾何光學(xué)認(rèn)為光在均勻介質(zhì)中沿直線傳播，所以繞射有悖于幾何光學(xué)對光路的預(yù)測。但繞射的原理其實(shí)也很好理解，光既然是一種波，我們可以用聲波來類比它，波前上任一點(diǎn)都可以是一個(gè)源，產(chǎn)生出新的波形繼續(xù)向外傳播，因此“繞開”障礙物的光相當(dāng)于是波前上的點(diǎn)“衍生”出來的，這就是把這種現(xiàn)象叫做衍射的理由。關(guān)于衍射原理可參考上一篇文章《激光器專題（八）：光學(xué)諧振腔的理論知識》中提到的惠更斯菲涅爾衍射理論。DOE的光學(xué)整形原理就是基于光波的衍射現(xiàn)象。傳統(tǒng)的光學(xué)元件，如透鏡和反射鏡，主要是通過折射和反射來操縱光波，而DOE則是通過其特殊的結(jié)構(gòu)使光波在通過時(shí)發(fā)生衍射，從而實(shí)現(xiàn)對光波傳播方向、相位和振幅的精確控制。具體來說，DOE通過其表面結(jié)構(gòu)的微小變化來調(diào)制入射光的波前。這些結(jié)構(gòu)可以是規(guī)則的或者根據(jù)特定算法設(shè)計(jì)的，以產(chǎn)生期望的衍射模式。DOE的制造通常采用半導(dǎo)體加工技術(shù)，如光刻和蝕刻，以實(shí)現(xiàn)納米或亞微米級的結(jié)構(gòu)精度。當(dāng)光線通過DOE時(shí)，根據(jù)衍射光學(xué)原理，不同的空間頻率成分會以不同的角度衍射出去，形成特定的光束形狀和分布。通過精心設(shè)計(jì)DOE的相位和振幅分布，可以實(shí)現(xiàn)對出射光波前的高度控制。這種控制包括對光束的聚焦、準(zhǔn)直、擴(kuò)展或壓縮，以及產(chǎn)生特定的光束形狀，如高斯光束、環(huán)形光束、平行光束等。在激光切割應(yīng)用中，多焦點(diǎn)DOE技術(shù)可以通過產(chǎn)生多個(gè)均勻分布的焦點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)對材料的深度切割。由于激光的焦點(diǎn)深度通常有限，而材料的厚度可能遠(yuǎn)大于這個(gè)焦深，多焦點(diǎn)DOE就能夠通過擴(kuò)展焦深區(qū)域，使得激光能量在材料內(nèi)部形成一個(gè)較寬的切割區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的切割效果，避免因焦點(diǎn)深度不足導(dǎo)致的切割不完全、裂紋和切口粗糙等問題。綜上所述，DOE的光學(xué)整形原理是通過其獨(dú)特的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對光波的衍射進(jìn)行精密調(diào)控，以此來實(shí)現(xiàn)對光束形狀、傳播方向和相位-振幅特性的精確控制，進(jìn)而用于各種光學(xué)應(yīng)用，包括激光切割、光學(xué)成像、光通信和生物醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域。

DOE的應(yīng)用分類

DOE根據(jù)用途主要可分為：整形、分束、多焦、結(jié)構(gòu)光和其它特殊光束產(chǎn)生。

光束整形用DOE，可在工作面上實(shí)現(xiàn)指定的光斑形狀（正方形、多邊形、長條形、環(huán)形及圓形等）及能量分布(如平頂、高斯、環(huán)形、m型光束發(fā)生器、衍射錐透鏡等，環(huán)形發(fā)生器用于產(chǎn)生環(huán)狀強(qiáng)度分布的光斑。常用的環(huán)形發(fā)生器有渦旋位相板、衍射錐透鏡、多環(huán)發(fā)生器等。錐透鏡被廣泛用于激光加工中產(chǎn)生貝塞爾光束，以實(shí)現(xiàn)較大的焦深。在錐透鏡上加以衍射光學(xué)技術(shù)，可將準(zhǔn)直光變換為圓錐面上傳輸。經(jīng)過透鏡成像，可以實(shí)現(xiàn)環(huán)形光斑。如用于點(diǎn)光源，可形成沿軸向分布的焦線。對光束直徑、衍射錐透鏡的位置加以調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)不同的直徑以及不同的粗細(xì)的環(huán)）。衍射分束器將準(zhǔn)直光束分為一維排列或二維排列的多個(gè)光束，每個(gè)光束保持原來的特征(結(jié)構(gòu)光則不是，它只負(fù)責(zé)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光，而不保證保持原光束特征)，以不同的角度出射。衍射分束器本質(zhì)上是光柵結(jié)構(gòu)，其出射角滿足光柵方程。通過精心的設(shè)計(jì)二元或多元的衍射單元結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)各路輸出之間的能量分配(而普通的光柵則不行，不能任意分配)。復(fù)雜的衍射分束器可產(chǎn)生大角度的寬場照明以及特定圖樣的光斑分布。例如：達(dá)曼光柵是一種具有特殊孔徑函數(shù)的二值相位光柵，其對入射光波產(chǎn)生的夫瑯和費(fèi)衍射圖樣是一定點(diǎn)陣數(shù)目的等光強(qiáng)光斑，完全避免了一般振幅光柵因函數(shù)強(qiáng)度包絡(luò)所引起的譜點(diǎn)光強(qiáng)的不均勻分布。與其他衍射結(jié)構(gòu)的光學(xué)分束器相比，達(dá)曼光柵屬于傅里葉變換型的分束器，具有光斑陣列光強(qiáng)均勻性，不受入射光波分布影響和可以產(chǎn)生任意排列的點(diǎn)陣等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)構(gòu)光，就是點(diǎn)、線、面結(jié)構(gòu)光。結(jié)構(gòu)光發(fā)生器可以產(chǎn)生各種訂制的光強(qiáng)分布：形狀，紋路，周期等通過將結(jié)構(gòu)光透射到凹凸不平的表面，通過測量其光強(qiáng)分布的形變，可以計(jì)算目標(biāo)不同位置的深度、運(yùn)動等。結(jié)構(gòu)光發(fā)生器在3D成像（如人臉識別），3D傳感（如自動駕駛激光雷達(dá)），機(jī)器視覺與計(jì)算視覺方面有廣闊的應(yīng)用前景。 

具體應(yīng)用舉例：

1、平頂光束整形器，高斯光整平頂光DOE

平頂光束整形器又稱為聚焦型平頂光束整形元件、激光平頂光斑透鏡，其作用是獲得能量分布均勻、邊界陡峭，同時(shí)具有特定形狀的平頂光斑（Top-hat）。光斑尺寸一般在幾十微米到幾百微米的范圍，光斑形狀可以是圓形，矩形，正方形，直線，橢圓或定制圖形，具有非常好的能量均勻性，能夠?qū)崿F(xiàn)各種高精度的激光加工應(yīng)用。

2、M波形衍射光學(xué)元件

M波形衍射光學(xué)元件的作用是把入射激光整形為M波形（M-Shape），而M波形指的是激光光斑沿某一方向勻速滑動，積分后的能量均勻分布，即形成一條能量均勻分布的窄直線。M-Shape激光光斑的這個(gè)特性使得其特別適用于激光材料加工。

3、C形光束整形元件

C形光束整形器元件，主要應(yīng)用在激光焊接加工工藝領(lǐng)域。C形強(qiáng)度分布在寬度/深度比方面具有優(yōu)勢，通過給氣泡一個(gè)逃逸焊縫的地方來減少氧化和消除熱裂紋。

4、多焦點(diǎn)透DOE，長焦深DOE

如下圖左所示，多焦點(diǎn)DOE是利用對照射到鏡片不同局域的入射激光分別聚焦，在軸向傳播方向上同時(shí)得到多個(gè)焦點(diǎn)，各焦點(diǎn)的能量、間距幾乎相等，特別適合于深入透明材料內(nèi)部加工，例如激光深度切割，****切割，0.1~1mm的玻璃或藍(lán)寶石切割。如下圖右所示，長焦深DOE能夠把入射激光在焦距附近產(chǎn)生一個(gè)能量近乎均勻分布、焦深的長度達(dá)幾十微米到幾毫米的焦點(diǎn)。激光焦點(diǎn)可拉長為原來的幾十倍，且寬度基本保持不變。能量均勻的長焦深光斑特別適合對材料進(jìn)行深度切割。長焦深DOE和多焦點(diǎn)DOE互為補(bǔ)充，特別適合于激光材料加工領(lǐng)域。例如激光透明材料的切割（玻璃，藍(lán)寶石等），激光度量學(xué)，激光過程監(jiān)控/監(jiān)測、顯微鏡等。

5、光束均化器（勻化鏡/勻光片）

光束均化器又稱為勻化鏡或勻光片，其作用是使激光的光束以一個(gè)較大的角度均勻發(fā)散，從而使激光能量在一個(gè)較大的范圍內(nèi)均勻分布。激光勻化器和平頂光束整形器都是形成一個(gè)能量均勻分布的激光光斑，而兩者的區(qū)別在于出射光束角度不同到導(dǎo)致的光斑尺寸不同，平頂光束整形器獲得的光斑尺寸一般為微米量級，而激光勻化器輸出毫米級的均勻光斑。

6、衍射分束器

衍射分束器(點(diǎn)陣分束器)是最基本的衍射光學(xué)元件之一，它的作用是把單個(gè)入射光分幾束或多束，且每束光都具有原始光束的特性（除了其功率和傳播角度變化，不改變初始光束的直徑、發(fā)散角和波前分布）。分束器的輸出可以是一維排布，也可以是二維排布，也可以實(shí)現(xiàn)線光斑陣列，排布完全可以由用戶定制。

7、螺旋相位片，激光渦旋透鏡

螺旋相位板（Vortex Lens）是得到相位連續(xù)變化的一種常用DOE元件，其作用是產(chǎn)生直徑較小的圓環(huán)形光斑（Vortex），光斑的外觀像一個(gè)漩渦狀的圈，也稱為漩渦光。螺旋相位片是獲得漩渦光最直接最簡單的方法，它能夠方便地設(shè)計(jì)漩渦光的直徑和拓?fù)浜蓴?shù)，滿足用戶的實(shí)際需求。

8、衍射軸錐鏡，圓環(huán)激光發(fā)生器，多圓環(huán)激光發(fā)生器，同心圓環(huán)激光透鏡

下圖左所示，衍射軸錐鏡又稱為圓環(huán)激光發(fā)生器（Ring Axicon），其作用是使激光光束通過后變成一個(gè)圓環(huán)，即激光能量以圓環(huán)/圓形的方式分布，這里圓環(huán)的寬度一般很窄，不同于激光渦鏡頭產(chǎn)生的光斑都具有一定寬度。下圖右所示，多圓環(huán)激光發(fā)生器的能夠把入射光束轉(zhuǎn)化為多個(gè)同心圓環(huán)（Ring Concentric circles），這些圓環(huán)的半徑都可控切且圓環(huán)的寬度都很窄，類似于圓環(huán)激光發(fā)生器。圓環(huán)的直徑、數(shù)量均、圓環(huán)之間的分離角度和每個(gè)圓的能量分布均可定制，從而得到多種不同的同心圓環(huán)激光圖形。

如何選擇DOE元件

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(xué)元件產(chǎn)生的光束也不能違背光的傳播規(guī)律；其構(gòu)建的特定光強(qiáng)分布只能在一定景深范圍內(nèi)存在。因此在使用時(shí)，所需的光斑形貌、尺寸、工作距離、景深等有時(shí)不可兼得，需要做出權(quán)衡。

2、衍射光學(xué)元件通常依據(jù)激光的波長、光束口徑、光束模式（M2）、近場強(qiáng)度分布來設(shè)計(jì)，因此在選擇前應(yīng)較為準(zhǔn)確的測量這些參數(shù)。使用參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)不匹配將導(dǎo)致使用效果不佳甚至無法使用。

3、衍射光學(xué)元件對入射光的角度敏感，需要較好的光路調(diào)整精度和穩(wěn)定性。

4、大部分衍射光學(xué)元件對入射激光的波前位相進(jìn)行精密調(diào)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(guī)透射光學(xué)元件一樣，根據(jù)不同的波長、激光強(qiáng)度的要求，衍射光學(xué)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。

6、衍射光學(xué)器件的色散與玻璃材料無關(guān)，僅與波長相關(guān)，即不管構(gòu)成衍射器件的材料折射率如何，只要在同一波段內(nèi)，就具有相同的色散能力。再者，衍射光學(xué)器件的阿貝數(shù)與傳統(tǒng)玻璃的阿貝數(shù)符號相反，并且其絕對值比傳統(tǒng)玻璃材料小，說明衍射光學(xué)器件具有較強(qiáng)的色散。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，衍射光學(xué)器件因衍射產(chǎn)生的部分色散和光學(xué)材料因折射產(chǎn)生的部分色散有很大不同，傳統(tǒng)光學(xué)材料在短波波段表現(xiàn)出較大的色散，在長波波段色散較小，而衍射光學(xué)器件的變化情況恰好相反，因此有利于二級光譜的校正。

7、折射元件的光熱膨脹系數(shù)由光學(xué)材料的線膨脹系數(shù)和折射率溫度系數(shù)共同決定，而衍射光學(xué)元件的光熱膨脹系數(shù)只是基體材料的線膨脹系數(shù)有關(guān)，而與材料的折射率特性無關(guān)。