美研究人员提高衍射光学元件效率

      多年以来，衍射光学元件已经发展成为光束整形和分束的有效工具。衍射光学元件较之折射光学器件的优点是众所周知的：它们重量轻、结构紧凑、便于集成到光学系统中。单个衍射光学元件还能够执行多种光学功能。衍射光学元件（DOE）的新进展使它们成为激光材料加工、医疗和美容激光以及结构光投影系统的标准组件。

      由硒化锌玻璃制成的衍射光学元件。

      研究人员改进了衍射光学元件的设计和制造流程，减少了不需要的衍射级次，并将衍射光学元件的零级衍射降至较低，同时提高了光束的均匀性并实现了更高的衍射效率。衍射光学元件是在光学元件表面雕刻浮雕图案，使得入射激光束的相位发生改变以使出射光束在远场或透镜聚焦平面处产生期望的强度分布。二级的衍射光学元件的典型效率为75％，四级或更高级的设计，其效率高达95％。一般而言，使用的层次越多，效率越高，零级次越低。但是，级次越高的元件制造过程中会产生制约因素。

      高激光损伤阈值衍射光学元件的制造过程基于光刻，然后是干法等离子蚀刻步骤。典型的加工基材包括熔融石英、硒化锌和蓝宝石，所有这些都是高功率激光系统的理想选择。诸如蚀刻深度和特征尺寸之类的制造公差会导致降低衍射光学元件的整体性能。对于多级元件，这些误差会累积，因此制造公差必须更加严格。为了提供高质量的元件并减少误差，考虑到设计级别和设计规格，每种设计都会定义严格的制造公差。衍射光学元件可以分为两大类：光束整形和光束分束。

      零级7×7分束器将主光束分成49束均匀的光束。

      分束器衍射光学元件用于将单个激光束分成预定数量的光束，每个光束具有原始光束的特性和所需的分离角度。分束器可以根据元件上的衍射图案产生一维光束阵列（1×N）或二维光束矩阵（M×N）。分束镜特性包括衍射效率、斑点之间的均匀性、零级衍射值等。

      另一方面，光束整形衍射光学元件用于将高斯入射激光束转换成圆形、矩形、正方形、线形或具有特定边缘的其他形状的均匀强度光点。这个类别的常见产品是扩散器、衍射轴锥体、涡旋透镜等。光束整形器特性包括衍射效率、传输区域等。

二进制轴棱镜未对准的典型表现（a）与随机阵列衍射轴锥镜（RADA）未对准的典型表现（b）。图片来源：Holo / Or Ltd.

衍射光学元件在设计和制造技术方面的进步改进了几种“传统”产品的设计，例如分束器和衍射轴锥光束整形器。此外，现在还可以实现降低零级衍射的新方法。

提高衍射效率

双光点（1×2配置）和四光点（2×2配置）分束镜在很多应用中用途广泛，包括光刻、打孔、切割和其他材料加工应用。尽管二元双光点1×2分束镜和四光点2×2分光镜具有高度的稳定性，对于要求苛刻的应用，它们分别提供高达81％和64％的衍射效率，但在不需要的更高阶数中存在1％的输入功率则是目前研究人员需要解决的问题。

标准双光点（a）和高效双光点（b）的比较。

      标准四光点（a）和高效四光点（b）的比较。

      分束衍射光学元件技术的新进展已使设计得到了改进，减少了不必要的衍射级次，并且衍射效率提高到了约97％。这些高效双光点元件采用子孔径方式工作。尽管这种效应仅对单模激光有作用，但是分光轴中的光点尺寸增加并且光点变得偏椭圆。

随机阵列衍射轴棱镜

      衍射轴棱镜是一种将激光束转换成环形（贝塞尔强度分布）的衍射光学元件。一个轴棱镜也将点光源成像在沿着光轴的一条线上，并增加了焦点深度。每个衍射轴棱镜由其环状衍射角度定义。衍射棱镜的典型应用包括激光角膜手术、原子阱和贝塞尔光束生成。类似于其他具有轴对称性的光学元件，衍射轴棱镜对衍射光学元件相对于光轴的中心敏感，但它对输入光束尺寸和激光器不敏感。其他机械公差对功能影响很小。

      随着衍射光学元件制造技术的新进展，研究人员发明了随机阵列衍射（RADA）的新概念。RADA设计用于激光加热导电表面（金属）或粉末烧结等应用，并且对集中对准和光束对称性不敏感。此外，多层的设计具有高达约95％的高衍射效率，而标准的二元光学元件的衍射效率仅约80％。

降低零级衍射

      如上所述，零级是入射光束通过衍射光学元件而未被“衍射”的能量的一部分，这意味着入射光束的部分仅服从高斯光学。尽管在某些情况下，零级衍射是设计图像的一部分（斑点阵列），但与预想的设计相比，其能量变化仍然存在问题，特别是在大角度设计中。试图绕过这个问题可能会导致光学设置更加复杂甚至无法设计出符合要求的装置，因为成本较高或性能不足。为了克服这一挑战，Holo/Or公司的工程师开发了多种抑制零级的技术，每种技术都有其自己的适用领域。

      通过特殊衍射设计减少零级：由于大多数衍射光学元件都是使用迭代傅里叶变换算法设计的，因此可以在整体性能函数中提供零级优化参数更大的权重，超过均匀性，效率等。该解决方案是简单的一个，但效果有限，因为它只适用于小角度和小光点分束器。

      三个相位级别的衍射结构，而不是两个：在原始二进制光栅轮廓中引入第三个相位级别能够显著降低设计对轮廓深度误差的敏感度（这意味着对光谱宽度的灵敏度降低，导致出现零级衍射）。该解决方案成本低（与八层或十六层设计相比），但仅适用于多光谱漫射器件应用。

      所需输出图像相对于零级的横向移位；添加衍射棱镜：零级（例如，1％至2％）的能量在光轴上继续，而期望的图像根据衍射微棱镜阵列以特定角度偏转。与替代方案相比，这种方法对不重合的敏感度较低。缺点是输出图像与光轴相比是横向偏移的，但是这可以通过在具有楔形的晶圆上制造来补偿。与二元衍射光学元件相比，这种设计成本更高，因为增加了多级微棱镜模式，并限于相对小角度的应用。

      当我们期望的输出图像相对于零级产生了焦点偏移；增加一个衍射（菲涅耳）透镜：零级可能的能量扩散并均匀分布在整个区域，表现为一个小的背景噪声。通常在设计完成后，所需的图像将出现在原始焦平面之前。因此，零级将聚焦在焦平面上。也可以将零级移动到另一个平面，并将图像平面保留在系统的原始有效焦距中。与其他解决方案相比，这种轴上技术可以实现更高的效率，但光束集中变得更加重要。由于添加了多层菲涅耳透镜，与二元衍射光学元件相比，该解决方案成本更高。

      由于衍射光学元件成为各种工业激光应用中光束整形和分束的有效和标准方法。衍射光学元件在设计和制造方面的新改进使得克服这些挑战成为可能，并且引入了具有较低的衍射级次、较弱的零级衍射、较高的衍射效率等。研究人员正在不断研究进一步的设计改进，以及不同的制造技术。对于许多高功率激光应用，如材料加工、医学和美学，可实现更高的精度和性能优化。