衍射光學(xué)元件的原理及發(fā)展

　　衍射光學(xué)元件(DOE：DiffractiveOpticalElements)，是基于光波的衍射理論，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，并通過(guò)半導(dǎo)體芯片制造工藝，在基片上(或傳統(tǒng)光學(xué)器件表面)刻蝕產(chǎn)生臺(tái)階型或連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)，形成同軸再現(xiàn)、且具有極高衍射效率的一類光學(xué)元件。衍射光學(xué)元件薄而輕，體積小，還具有高衍射效率、多設(shè)計(jì)自由度、良好的熱穩(wěn)定性和獨(dú)特的色散特性，是諸多光學(xué)儀器的重要元件。由于衍射總是導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)的最高分辯率受到限制，傳統(tǒng)的光學(xué)總是盡量避免衍射效應(yīng)造成的不利影響，直到60年代，隨著模擬全息術(shù)和計(jì)算機(jī)全息圖以及相息圖的發(fā)明和成功地制作引起了觀念上的重大變革。到了70年代，盡管計(jì)算機(jī)全息圖和相息圖的技日臻完善，但是制作在可見(jiàn)光和近紅外光波段內(nèi)具有高衍射效率的超精細(xì)結(jié)構(gòu)元件仍面臨困難，因而限制了衍射光學(xué)元件的實(shí)際應(yīng)用范圍，到了80年代，由美國(guó)MIT林肯實(shí)驗(yàn)室的W.B.Veldkamp領(lǐng)導(dǎo)的研究組首先將制造超大規(guī)模集成電路(VLSI)的光刻技術(shù)引入衍射光學(xué)元件的制作中,提出了“二元光學(xué)”的概念，之后各種新型的加工制作方法不斷涌現(xiàn)，高質(zhì)量的和多功能的衍射光學(xué)元件制作，從而極大的推動(dòng)了衍射光學(xué)元件的發(fā)展。

　　衍射光學(xué)元件的特點(diǎn)

　　DOE的特點(diǎn)則是能夠在保持較高衍射效率的同時(shí)對(duì)光強(qiáng)分布進(jìn)行精確控制，因此DOE成為實(shí)現(xiàn)離軸照明的理想元件。一般用于光刻系統(tǒng)離軸照明的DOE，其子單元個(gè)數(shù)需<10，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)量較大，單元尺寸達(dá)到微米甚至是亞微米量級(jí)。

　　衍射的概念

　　光沿著直線傳播，當(dāng)光穿過(guò)一個(gè)小孔或經(jīng)過(guò)一個(gè)輪廓分明的邊緣時(shí)，沿小孔邊緣產(chǎn)生了干涉圖形，結(jié)果得到了一個(gè)模糊的圖像，而不是希望出現(xiàn)在光和陰影之間的清晰邊緣，光看上去沿狹縫邊緣彎曲了。這種現(xiàn)象被稱做衍射。

　　衍射效率

　　衍射效率是評(píng)價(jià)衍射光學(xué)元件以及含有衍射光學(xué)元件的折衍射混合光學(xué)系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一。光線通過(guò)衍射光學(xué)元件后，會(huì)產(chǎn)生多個(gè)衍射級(jí)次，一般只是關(guān)注主衍射級(jí)次的光線，其他衍射級(jí)次的光線在主衍射級(jí)像面上形成雜散光，降低像面的對(duì)比度。因此，衍射光學(xué)元件的衍射效率直接影響到衍射光學(xué)元件的成像質(zhì)量，對(duì)衍射光學(xué)元件衍射效率的精確測(cè)量是十分必要的

　　由于衍射光學(xué)元件及其靈活的控制波前，集多功能與一體和可復(fù)制的優(yōu)良特性視光學(xué)系統(tǒng)及器件向輕型化，微型化和集成化發(fā)展。到了90年代至今，衍射光學(xué)元件的研究已成為光學(xué)界的前沿工作。這些元件可廣泛運(yùn)用于激光波面的矯正，光束剖面成形，光束陣列發(fā)生器，光學(xué)互連，光學(xué)平行計(jì)算，衛(wèi)星光通信等方面。