衍射光學(xué)元件DOE 用于激光材料加工，醫(yī)美

衍射光學(xué)元件

衍射光學(xué)元件（DOE，Diffractive Optical Elements）利用微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)改變其傳播的光的相位。合理的設(shè)計(jì)光學(xué)衍射原件表面的微結(jié)構(gòu)能夠使輸入特定光的時(shí)候輸出任何符合設(shè)計(jì)的光強(qiáng)分布的光。DOE技術(shù)實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)不可行的許多功能和對(duì)光操作。

許多應(yīng)用中，這些技術(shù)極大的提高了系統(tǒng)性能。 衍射光學(xué)方案擁有許多優(yōu)勢(shì)，例如：高效率，高精度，小尺寸，低重量，重要的是它靈活的滿足各種不同應(yīng)用要求。

DOE產(chǎn)品：分束器和光束整形器。

光束分束器DOE用于將單個(gè)激光束分成幾個(gè)光束，每個(gè)光束具有與入射光束相同的特性（除了功率和傳播角度）。根據(jù)分束器的衍射圖案,分束器可以產(chǎn)生1維光束陣列（1×N）或2維光束矩陣（M×N）。分束器DOE還可以將入射光束分成有不同的光斑分布，例如圓形，隨機(jī)圖案，六邊形陣列等。光束分離器需要與單色光（例如激光束）一起使用，不同分束器有特定波長(zhǎng)和和特定的輸出光束之間的分離角。

光束整能夠在工作面上將近高斯光束轉(zhuǎn)換為圓形、矩形，正方形和線形的均勻光束，并且邊緣輪廓（光強(qiáng)分布）。十分的清晰，同時(shí)光束整形器能夠?qū)崿F(xiàn)輸出強(qiáng)度分布均勻，使激光加工時(shí)能夠均勻處理表面，防止特定區(qū)域的過(guò)度曝光或曝光不足。此外，光斑有陡峭的過(guò)渡區(qū)域，故而在處理區(qū)域和未處理區(qū)域之間形成清晰的邊界。光束整形器系列包括均化器，top-hat，渦旋透鏡（螺旋相位板）和衍射軸錐鏡。

DOE的典型應(yīng)用

隨著激光功率的不斷增加，許多集成系統(tǒng)的用戶光學(xué)元件可能無(wú)法承受高功率激光。 故而，激光誘導(dǎo)損傷閾值（LIDT或LDT）的參數(shù)成為選擇光學(xué)元件時(shí)的重要因素。 衍射光學(xué)元件的高損傷閾值使其成為高功率工業(yè)系統(tǒng)和應(yīng)用的理想選擇。激光材料加工應(yīng)用和基于激光的醫(yī)療美容（醫(yī)美）都需要高功率激光器。

圖1不同的分束器光斑分布，從左到右：5×5陣列，隨機(jī)，六邊形陣列，圓形

圖2不同光束形狀的結(jié)果，從左到右：均質(zhì)器，平頂光，渦旋透鏡和衍射棱鏡

衍射光學(xué)元件在激光材料加工應(yīng)用中的應(yīng)用

近，用于工業(yè)需求的新激光系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)已經(jīng)增加。開(kāi)發(fā)了許多新工藝，許多的傳統(tǒng)加工工藝被激光加工工藝所取代。激光材料加工占整個(gè)激光器市場(chǎng)的很大的一部分，DOE在提供適應(yīng)工藝的激光束成形方面發(fā)揮著重要作用。激光束成形和均勻化技術(shù)是優(yōu)化許多激光材料加工應(yīng)用必不可少的步驟。DOE通常用于激光燒蝕和激光加工系統(tǒng)，激光鉆孔，激光切割和其他加工，以形成表面上的小特征結(jié)構(gòu)。

DOE以激光為基礎(chǔ)的美容治療

隨著激光技術(shù)的使用成為醫(yī)美領(lǐng)域中更加不可或缺的工具，控制激光輸出的能力變得越來(lái)越重要。DOE提供了一種獨(dú)特的解決方案，允許光束以多種方式進(jìn)行操作，同時(shí)保持元件的輕巧。美容治療通常使用高功率激光。要求激光均勻和精確的光線曝光，具有精確的銳利邊緣，同時(shí)擁有高效率。這就是使用衍射光學(xué)器件進(jìn)行光束整形的理想解決方案。DOE常用于激光脫毛，激光紋身去除，皮膚修復(fù)，皮膚再生等等。

衍射光學(xué)元件——分束器

分束器的工作原理非常簡(jiǎn)單。根據(jù)客戶的系統(tǒng)要求，從準(zhǔn)直輸入光束，輸出光束以分離角度從分束器DOE出來(lái)，該分離角度在DOE的設(shè)計(jì)期間確定的并且分離角度非常準(zhǔn)確（誤差<0.03mRad）。光束的分離是為遠(yuǎn)場(chǎng)設(shè)計(jì)的。 因此，隨著光束在DOE之后繼續(xù)傳播，它們變得更加明確。

圖3分束器DOE，基本設(shè)置，EFL =有效焦距，m =多點(diǎn)的階數(shù)（點(diǎn)），θs=兩個(gè)焦點(diǎn)之間的分離角度，d = 2個(gè)焦點(diǎn)之間的距離（間距），θf(wàn)= 全角，D =光點(diǎn)陣列的長(zhǎng)度

圖4 1×6多點(diǎn)在色散介質(zhì)中傳播

產(chǎn)生的擁有“零級(jí)”的多光斑沒(méi)有衍射并且光束遵守反射和折射定律。對(duì)于具有奇數(shù)個(gè)光束的標(biāo)準(zhǔn)分束器，分離角度是階數(shù)+1和階數(shù)0之間的角度（階數(shù)0是期望的光束）。對(duì)于具有偶數(shù)個(gè)光束的標(biāo)準(zhǔn)分束器，分離角是+1階和-1階之間的角度（零階不是所需的光束）。

衍射光學(xué)元件——使用DOE光束整形

衍射光束整形器是相位元件，在特定工作距離處其將高斯輸入光束轉(zhuǎn)換成具有銳邊的均勻光斑。每個(gè)光束整形器都僅能在特定光學(xué)條件下使用，也即一組獨(dú)特的光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)：波長(zhǎng)，輸入光束尺寸，工作距離和輸出光斑尺寸。

光束整形器應(yīng)用中基本的設(shè)置包括激光器，衍射光束整形器元件和待處理的表面。

平頂光束整形器

頂帽光束整形器用于將近高斯入射激光束轉(zhuǎn)換成圓形，矩形，正方形，線形或其他形狀的均勻強(qiáng)度的光斑，在特定的工作平面中具有高質(zhì)量的銳利邊緣。為獲得高質(zhì)量的光束整形器性能，激光輸出應(yīng)為單模（TEM00），M2值<1.3。

通過(guò)光束整形器能夠在待處理的物體表面留下均勻的光斑點(diǎn)，并且在表面上能夠防止特定區(qū)域過(guò)度曝光或曝光不足。此外，該斑點(diǎn)的特征在于尖銳的過(guò)渡區(qū)域，其在處理區(qū)域和未處理區(qū)域之間形成清晰的邊界。頂帽光束整形器具有高效率（通常> 95％），優(yōu)異的均勻性（通常為±5％），陡峭的過(guò)渡區(qū)和高激光損傷閾值。此外，頂帽式光束整形器對(duì)輸入光束尺寸，工作距離和元件位移敏感。平頂DOE通常用于激光材料加工應(yīng)用（激光燒蝕，激光切割，激光鉆孔），美學(xué)處理（紋身和脫毛），科學(xué)應(yīng)用（流式細(xì)胞術(shù)）等等。

勻化器——光束整形器

光學(xué)均化器DOE將單?；蚨嗄］斎牍馐D(zhuǎn)換成明確定義的輸出光束，其特征在于具有期望的形狀和均勻的平頂強(qiáng)度。常見(jiàn)的漫射器得到的形狀是圓形，方形，矩形，橢圓形和六邊形。同時(shí)，幾乎可以設(shè)計(jì)任何形狀的圖像。漫射光束的邊緣通常是陡峭的可確定的。輸入發(fā)散角與均化器的擴(kuò)散角之間的比率確定了過(guò)渡區(qū)域與輸出光束的均勻化區(qū)域的比率。為了達(dá)到光束在遠(yuǎn)場(chǎng)或焦平面中的強(qiáng)度分布達(dá)到理想，DOE勻化器將入射光在一個(gè)半隨機(jī)的方向在半場(chǎng)隨機(jī)方向上分束。該方法能夠設(shè)計(jì)出能夠產(chǎn)生任意形狀的元件，在光強(qiáng)均勻的條件下具有精確輸出角度和尺寸。漫射器性能很大程度上取決于入射光束參數(shù)，此外，通過(guò)使用高M(jìn)2輸入光束可以實(shí)現(xiàn)更高的均勻性（圖7）。均質(zhì)器光束整形器對(duì)光束尺寸，位移和元件傾斜不敏感。它提供高激光損傷閾值，而均勻性和效率隨設(shè)計(jì)而變化。均質(zhì)器DOE通常用于激光材料加工應(yīng)用（激光焊接，激光釬焊），美學(xué)處理（紋身/脫毛，身體輪廓）等等。

圖5光束整形器DOE，基本設(shè)置，d =成形光斑尺寸，D =光束直徑，EFL =有效焦距。

圖6頂帽強(qiáng)度分布，左：方形，右：圓形

圖7均質(zhì)器性能根據(jù)M2變化，左：M2 = 1，右：M2 = 10           圖8渦旋透鏡DOE階梯相

衍射光學(xué)元件——螺旋相位片

渦旋透鏡DOE將高斯輸入分布轉(zhuǎn)換為環(huán)形能量環(huán)。螺旋相位板是一種獨(dú)特的光學(xué)元件，其結(jié)構(gòu)完全由螺旋或螺旋相位組成，其目的是控制透射光束的相位。從“階梯”的頂部到底部的總蝕刻深度是設(shè)計(jì)波長(zhǎng)和基板的光學(xué)指數(shù)的函數(shù)。一般條件下，該深度與設(shè)計(jì)波長(zhǎng)具有相同的數(shù)量級(jí)。因此，每個(gè)渦旋相板都是波長(zhǎng)特異性的。光學(xué)渦旋需要輸入準(zhǔn)直的單模（TEM00）高斯輸入光束，并且它將其轉(zhuǎn)換為T(mén)EM01軸對(duì)稱模式。

使用更大輸入光束直徑具有兩個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)。首先，較大的光束稍微降低了輸出對(duì)DOE對(duì)準(zhǔn)公差的靈敏度。其次，較大的輸入光束直徑將能夠產(chǎn)生較小的渦流點(diǎn)，這在許多應(yīng)用中通常是期望的結(jié)果。渦旋透鏡具有高效率（通常> 90％）和較低的損傷閾值。它具有元件位移和旋轉(zhuǎn)的靈敏度。渦旋透鏡DOE通常用于材料加工應(yīng)用（焊接），光學(xué)通信（光學(xué)模式轉(zhuǎn)換和生成），科學(xué)應(yīng)用（STED顯微鏡，光學(xué)鑷子）等等。

總結(jié)：

近年來(lái)，衍射光學(xué)元件已經(jīng)成為一種成熟并且廣泛應(yīng)用的技術(shù)。DOE技術(shù)主要應(yīng)用于光束整形和分束等。其主要是應(yīng)用于激光材料加工應(yīng)用，醫(yī)美和科學(xué)應(yīng)用等領(lǐng)域， 并且擁有很大的市場(chǎng)，占整個(gè)激光應(yīng)用市場(chǎng)很大一部分。由于對(duì)激光功率不斷提高以及對(duì)精確度要求不斷的嚴(yán)格，DOE的高激光損傷閾值和高精確的特點(diǎn)使其成為解決激光應(yīng)用問(wèn)題的有效方案。