美研究人員提高衍射光學(xué)元件效率

      多年以來，衍射光學(xué)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(xué)元件較之折射光學(xué)器件的優(yōu)點(diǎn)是眾所周知的：它們重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、便于集成到光學(xué)系統(tǒng)中。單個(gè)衍射光學(xué)元件還能夠執(zhí)行多種光學(xué)功能。衍射光學(xué)元件（DOE）的新進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)組件。

      由硒化鋅玻璃制成的衍射光學(xué)元件。

      研究人員改進(jìn)了衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)和制造流程，減少了不需要的衍射級(jí)次，并將衍射光學(xué)元件的零級(jí)衍射降至較低，同時(shí)提高了光束的均勻性并實(shí)現(xiàn)了更高的衍射效率。衍射光學(xué)元件是在光學(xué)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(yuǎn)場(chǎng)或透鏡聚焦平面處產(chǎn)生期望的強(qiáng)度分布。二級(jí)的衍射光學(xué)元件的典型效率為75％，四級(jí)或更高級(jí)的設(shè)計(jì)，其效率高達(dá)95％。一般而言，使用的層次越多，效率越高，零級(jí)次越低。但是，級(jí)次越高的元件制造過程中會(huì)產(chǎn)生制約因素。

      高激光損傷閾值衍射光學(xué)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(lán)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(huì)導(dǎo)致降低衍射光學(xué)元件的整體性能。對(duì)于多級(jí)元件，這些誤差會(huì)累積，因此制造公差必須更加嚴(yán)格。為了提供高質(zhì)量的元件并減少誤差，考慮到設(shè)計(jì)級(jí)別和設(shè)計(jì)規(guī)格，每種設(shè)計(jì)都會(huì)定義嚴(yán)格的制造公差。衍射光學(xué)元件可以分為兩大類：光束整形和光束分束。

      零級(jí)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(xué)元件用于將單個(gè)激光束分成預(yù)定數(shù)量的光束，每個(gè)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(diǎn)之間的均勻性、零級(jí)衍射值等。

      另一方面，光束整形衍射光學(xué)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(qiáng)度光點(diǎn)。這個(gè)類別的常見產(chǎn)品是擴(kuò)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(jìn)制軸棱鏡未對(duì)準(zhǔn)的典型表現(xiàn)（a）與隨機(jī)陣列衍射軸錐鏡（RADA）未對(duì)準(zhǔn)的典型表現(xiàn)（b）。圖片來源：Holo / Or Ltd.

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

提高衍射效率

雙光點(diǎn)（1×2配置）和四光點(diǎn)（2×2配置）分束鏡在很多應(yīng)用中用途廣泛，包括光刻、打孔、切割和其他材料加工應(yīng)用。盡管二元雙光點(diǎn)1×2分束鏡和四光點(diǎn)2×2分光鏡具有高度的穩(wěn)定性，對(duì)于要求苛刻的應(yīng)用，它們分別提供高達(dá)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(biāo)準(zhǔn)雙光點(diǎn)（a）和高效雙光點(diǎn)（b）的比較。

      標(biāo)準(zhǔn)四光點(diǎn)（a）和高效四光點(diǎn)（b）的比較。

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

隨機(jī)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(qiáng)度分布）的衍射光學(xué)元件。一個(gè)軸棱鏡也將點(diǎn)光源成像在沿著光軸的一條線上，并增加了焦點(diǎn)深度。每個(gè)衍射軸棱鏡由其環(huán)狀衍射角度定義。衍射棱鏡的典型應(yīng)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(duì)稱性的光學(xué)元件，衍射軸棱鏡對(duì)衍射光學(xué)元件相對(duì)于光軸的中心敏感，但它對(duì)輸入光束尺寸和激光器不敏感。其他機(jī)械公差對(duì)功能影響很小。

      隨著衍射光學(xué)元件制造技術(shù)的新進(jìn)展，研究人員發(fā)明了隨機(jī)陣列衍射（RADA）的新概念。RADA設(shè)計(jì)用于激光加熱導(dǎo)電表面（金屬）或粉末燒結(jié)等應(yīng)用，并且對(duì)集中對(duì)準(zhǔn)和光束對(duì)稱性不敏感。此外，多層的設(shè)計(jì)具有高達(dá)約95％的高衍射效率，而標(biāo)準(zhǔn)的二元光學(xué)元件的衍射效率僅約80％。

降低零級(jí)衍射

      如上所述，零級(jí)是入射光束通過衍射光學(xué)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(xué)。盡管在某些情況下，零級(jí)衍射是設(shè)計(jì)圖像的一部分（斑點(diǎn)陣列），但與預(yù)想的設(shè)計(jì)相比，其能量變化仍然存在問題，特別是在大角度設(shè)計(jì)中。試圖繞過這個(gè)問題可能會(huì)導(dǎo)致光學(xué)設(shè)置更加復(fù)雜甚至無法設(shè)計(jì)出符合要求的裝置，因?yàn)槌杀据^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(jí)的技術(shù)，每種技術(shù)都有其自己的適用領(lǐng)域。

      通過特殊衍射設(shè)計(jì)減少零級(jí)：由于大多數(shù)衍射光學(xué)元件都是使用迭代傅里葉變換算法設(shè)計(jì)的，因此可以在整體性能函數(shù)中提供零級(jí)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(jiǎn)單的一個(gè)，但效果有限，因?yàn)樗贿m用于小角度和小光點(diǎn)分束器。

      三個(gè)相位級(jí)別的衍射結(jié)構(gòu)，而不是兩個(gè)：在原始二進(jìn)制光柵輪廓中引入第三個(gè)相位級(jí)別能夠顯著降低設(shè)計(jì)對(duì)輪廓深度誤差的敏感度（這意味著對(duì)光譜寬度的靈敏度降低，導(dǎo)致出現(xiàn)零級(jí)衍射）。該解決方案成本低（與八層或十六層設(shè)計(jì)相比），但僅適用于多光譜漫射器件應(yīng)用。

      所需輸出圖像相對(duì)于零級(jí)的橫向移位；添加衍射棱鏡：零級(jí)（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(duì)不重合的敏感度較低。缺點(diǎn)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(bǔ)償。與二元衍射光學(xué)元件相比，這種設(shè)計(jì)成本更高，因?yàn)樵黾恿硕嗉?jí)微棱鏡模式，并限于相對(duì)小角度的應(yīng)用。

      當(dāng)我們期望的輸出圖像相對(duì)于零級(jí)產(chǎn)生了焦點(diǎn)偏移；增加一個(gè)衍射（菲涅耳）透鏡：零級(jí)可能的能量擴(kuò)散并均勻分布在整個(gè)區(qū)域，表現(xiàn)為一個(gè)小的背景噪聲。通常在設(shè)計(jì)完成后，所需的圖像將出現(xiàn)在原始焦平面之前。因此，零級(jí)將聚焦在焦平面上。也可以將零級(jí)移動(dòng)到另一個(gè)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(shí)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(xué)元件相比，該解決方案成本更高。

      由于衍射光學(xué)元件成為各種工業(yè)激光應(yīng)用中光束整形和分束的有效和標(biāo)準(zhǔn)方法。衍射光學(xué)元件在設(shè)計(jì)和制造方面的新改進(jìn)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(jí)次、較弱的零級(jí)衍射、較高的衍射效率等。研究人員正在不斷研究進(jìn)一步的設(shè)計(jì)改進(jìn)，以及不同的制造技術(shù)。對(duì)于許多高功率激光應(yīng)用，如材料加工、醫(yī)學(xué)和美學(xué)，可實(shí)現(xiàn)更高的精度和性能優(yōu)化。