美研究人員提高衍射光學元件效率

      多年以來，衍射光學元件已經(jīng)發(fā)展成為光束整形和分束的有效工具。衍射光學元件較之折射光學器件的優(yōu)點是眾所周知的：它們重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、便于集成到光學系統(tǒng)中。單個衍射光學元件還能夠執(zhí)行多種光學功能。衍射光學元件（DOE）的新進展使它們成為激光材料加工、醫(yī)療和美容激光以及結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)的標準組件。

      由硒化鋅玻璃制成的衍射光學元件。

      研究人員改進了衍射光學元件的設計和制造流程，減少了不需要的衍射級次，并將衍射光學元件的零級衍射降至較低，同時提高了光束的均勻性并實現(xiàn)了更高的衍射效率。衍射光學元件是在光學元件表面雕刻浮雕圖案，使得入射激光束的相位發(fā)生改變以使出射光束在遠場或透鏡聚焦平面處產(chǎn)生期望的強度分布。二級的衍射光學元件的典型效率為75％，四級或更高級的設計，其效率高達95％。一般而言，使用的層次越多，效率越高，零級次越低。但是，級次越高的元件制造過程中會產(chǎn)生制約因素。

      高激光損傷閾值衍射光學元件的制造過程基于光刻，然后是干法等離子蝕刻步驟。典型的加工基材包括熔融石英、硒化鋅和藍寶石，所有這些都是高功率激光系統(tǒng)的理想選擇。諸如蝕刻深度和特征尺寸之類的制造公差會導致降低衍射光學元件的整體性能。對于多級元件，這些誤差會累積，因此制造公差必須更加嚴格。為了提供高質(zhì)量的元件并減少誤差，考慮到設計級別和設計規(guī)格，每種設計都會定義嚴格的制造公差。衍射光學元件可以分為兩大類：光束整形和光束分束。

      零級7×7分束器將主光束分成49束均勻的光束。

      分束器衍射光學元件用于將單個激光束分成預定數(shù)量的光束，每個光束具有原始光束的特性和所需的分離角度。分束器可以根據(jù)元件上的衍射圖案產(chǎn)生一維光束陣列（1×N）或二維光束矩陣（M×N）。分束鏡特性包括衍射效率、斑點之間的均勻性、零級衍射值等。

      另一方面，光束整形衍射光學元件用于將高斯入射激光束轉(zhuǎn)換成圓形、矩形、正方形、線形或具有特定邊緣的其他形狀的均勻強度光點。這個類別的常見產(chǎn)品是擴散器、衍射軸錐體、渦旋透鏡等。光束整形器特性包括衍射效率、傳輸區(qū)域等。

二進制軸棱鏡未對準的典型表現(xiàn)（a）與隨機陣列衍射軸錐鏡（RADA）未對準的典型表現(xiàn)（b）。圖片來源：Holo / Or Ltd.

衍射光學元件在設計和制造技術(shù)方面的進步改進了幾種“傳統(tǒng)”產(chǎn)品的設計，例如分束器和衍射軸錐光束整形器。此外，現(xiàn)在還可以實現(xiàn)降低零級衍射的新方法。

提高衍射效率

雙光點（1×2配置）和四光點（2×2配置）分束鏡在很多應用中用途廣泛，包括光刻、打孔、切割和其他材料加工應用。盡管二元雙光點1×2分束鏡和四光點2×2分光鏡具有高度的穩(wěn)定性，對于要求苛刻的應用，它們分別提供高達81％和64％的衍射效率，但在不需要的更高階數(shù)中存在1％的輸入功率則是目前研究人員需要解決的問題。

標準雙光點（a）和高效雙光點（b）的比較。

      標準四光點（a）和高效四光點（b）的比較。

      分束衍射光學元件技術(shù)的新進展已使設計得到了改進，減少了不必要的衍射級次，并且衍射效率提高到了約97％。這些高效雙光點元件采用子孔徑方式工作。盡管這種效應僅對單模激光有作用，但是分光軸中的光點尺寸增加并且光點變得偏橢圓。

隨機陣列衍射軸棱鏡

      衍射軸棱鏡是一種將激光束轉(zhuǎn)換成環(huán)形（貝塞爾強度分布）的衍射光學元件。一個軸棱鏡也將點光源成像在沿著光軸的一條線上，并增加了焦點深度。每個衍射軸棱鏡由其環(huán)狀衍射角度定義。衍射棱鏡的典型應用包括激光角膜手術(shù)、原子阱和貝塞爾光束生成。類似于其他具有軸對稱性的光學元件，衍射軸棱鏡對衍射光學元件相對于光軸的中心敏感，但它對輸入光束尺寸和激光器不敏感。其他機械公差對功能影響很小。

      隨著衍射光學元件制造技術(shù)的新進展，研究人員發(fā)明了隨機陣列衍射（RADA）的新概念。RADA設計用于激光加熱導電表面（金屬）或粉末燒結(jié)等應用，并且對集中對準和光束對稱性不敏感。此外，多層的設計具有高達約95％的高衍射效率，而標準的二元光學元件的衍射效率僅約80％。

降低零級衍射

      如上所述，零級是入射光束通過衍射光學元件而未被“衍射”的能量的一部分，這意味著入射光束的部分僅服從高斯光學。盡管在某些情況下，零級衍射是設計圖像的一部分（斑點陣列），但與預想的設計相比，其能量變化仍然存在問題，特別是在大角度設計中。試圖繞過這個問題可能會導致光學設置更加復雜甚至無法設計出符合要求的裝置，因為成本較高或性能不足。為了克服這一挑戰(zhàn)，Holo/Or公司的工程師開發(fā)了多種抑制零級的技術(shù)，每種技術(shù)都有其自己的適用領域。

      通過特殊衍射設計減少零級：由于大多數(shù)衍射光學元件都是使用迭代傅里葉變換算法設計的，因此可以在整體性能函數(shù)中提供零級優(yōu)化參數(shù)更大的權(quán)重，超過均勻性，效率等。該解決方案是簡單的一個，但效果有限，因為它只適用于小角度和小光點分束器。

      三個相位級別的衍射結(jié)構(gòu)，而不是兩個：在原始二進制光柵輪廓中引入第三個相位級別能夠顯著降低設計對輪廓深度誤差的敏感度（這意味著對光譜寬度的靈敏度降低，導致出現(xiàn)零級衍射）。該解決方案成本低（與八層或十六層設計相比），但僅適用于多光譜漫射器件應用。

      所需輸出圖像相對于零級的橫向移位；添加衍射棱鏡：零級（例如，1％至2％）的能量在光軸上繼續(xù)，而期望的圖像根據(jù)衍射微棱鏡陣列以特定角度偏轉(zhuǎn)。與替代方案相比，這種方法對不重合的敏感度較低。缺點是輸出圖像與光軸相比是橫向偏移的，但是這可以通過在具有楔形的晶圓上制造來補償。與二元衍射光學元件相比，這種設計成本更高，因為增加了多級微棱鏡模式，并限于相對小角度的應用。

      當我們期望的輸出圖像相對于零級產(chǎn)生了焦點偏移；增加一個衍射（菲涅耳）透鏡：零級可能的能量擴散并均勻分布在整個區(qū)域，表現(xiàn)為一個小的背景噪聲。通常在設計完成后，所需的圖像將出現(xiàn)在原始焦平面之前。因此，零級將聚焦在焦平面上。也可以將零級移動到另一個平面，并將圖像平面保留在系統(tǒng)的原始有效焦距中。與其他解決方案相比，這種軸上技術(shù)可以實現(xiàn)更高的效率，但光束集中變得更加重要。由于添加了多層菲涅耳透鏡，與二元衍射光學元件相比，該解決方案成本更高。

      由于衍射光學元件成為各種工業(yè)激光應用中光束整形和分束的有效和標準方法。衍射光學元件在設計和制造方面的新改進使得克服這些挑戰(zhàn)成為可能，并且引入了具有較低的衍射級次、較弱的零級衍射、較高的衍射效率等。研究人員正在不斷研究進一步的設計改進，以及不同的制造技術(shù)。對于許多高功率激光應用，如材料加工、醫(yī)學和美學，可實現(xiàn)更高的精度和性能優(yōu)化。