衍(yǎn)射光學元(yuán)件DOE分類和選型(xíng)匯(huì)總

一(yī)，衍(yǎn)射(shè)光(guāng)學元(yuán)件(jiàn)簡(jiǎn)介
衍射(shè)光學元件（Diffractive Optical Element，DOE）是近幾年(nián)蓬(péng)勃(bó)發(fā)展的(dí)新(xīn)興光學元件。DOE通(tōng)常采(cǎi)用(yòng)微納(nà)刻蝕(shí)工(gōng)藝構成二(èr)維分(fēn)布(bù)的衍射(shè)單元(yuán)，每個(gè)衍(yǎn)射單元可(kě)以有特定的形(xíng)貌(mào)，折射(shè)率等(děng)，對(duì)激(jī)光(guāng)波前位相(xiāng)分布進(jìn)行精細(xì)調控(kòng)。激光經過(guò)每(měi)個衍(yǎn)射單元(yuán)後發(fā)生衍射，並(bìng)在(zài)一定(dìng)距(jù)離（通常為無窮(qióng)遠(yuǎn)或透鏡焦(jiāo)平麵）處(chǔ)產(chǎn)生(shēng)幹(gān)涉，形成特(tè)定的光強分(fēn)布(bù)。

圖(tú)1：衍(yǎn)射光學(xué)元件的(dí) A)使用(yòng)示意(yì)；B)外形示意；C)表麵微觀結構(gòu)示意

衍射(shè)光學(xué)元(yuán)件(jiàn)問(wèn)世後在高功率激光，激光加工，激(jī)光醫療，顯微成像(xiàng)，激(jī)光(guāng)雷(léi)達(dá)，結構光(guāng)照明(míng)，激光顯(xiǎn)示等等領域展現(xiàn)了巨(jù)大的應用潛(qián)力(lì)，其(qí)優勢主要在於：
1) 高效率(shuài)。精(jīng)確設(shè)計(jì)的衍射(shè)單元(yuán)結(jié)構可以確保(bǎo)接(jiē)近100%的(dí)激(jī)光能量(liáng)被(bèi)投(tóu)射到(dào)所(suǒ)需要(yào)的圖樣(yàng)上(shàng)，效(xiào)率大大高於掩(yǎn)膜(mó)等手段(duàn)；
2) 使用(yòng)便利。衍(yǎn)射光(guāng)學(xué)元(yuán)件(jiàn)具備(bèi)非常小(xiǎo)的(dí)體積和重量，插(chā)入光路(lù)中(zhōng)即(jí)可使用；大多數情況(kuàng)下可(kě)配(pèi)合標(biāo)準(zhǔn)的透(tòu)鏡(jìng)，場(cháng)鏡，顯微物鏡(jìng)等(děng)使用(yòng)；
3) 靈活(huó)性。得(dé)益於微納加(jiā)工技術(shù)的長足發展(zhǎn)，DOE可(kě)以針對(duì)不同(tóng)的(dí)激光(guāng)器或不(bù)同(tóng)的(dí)目標(biāo)光(guāng)強/位(wèi)相分布(bù)進行訂製。同時，DOE應用的(dí)光(guāng)路結構(gòu)非常(cháng)簡單，在(zài)使用中(zhōng)搭配不同的透鏡，可(kě)實(shí)現不同(tóng)幾何(hé)尺寸(cùn)的光斑。
作(zuò)為一(yī)種(zhǒng)新(xīn)型的光學器(qì)件，在(zài)選擇/使用衍射光學元件(jiàn)時需要(yào)對它的(dí)特(tè)性有所(suǒ)了(liǎo)解。本(běn)文(wén)以以色(sè)列HOLO/ OR公司產品及(jí)技術(shù)為例(lì)，簡(jiǎn)要(yào)描述如何選(xuǎn)擇(zé)合適的DOE元件(jiàn)。
二，衍射光學元件(jiàn)選型的(dí)基(jī)本原則(zé)
根據不同(tóng)的(dí)用(yòng)途(tú)，DOE通常可(kě)以(yǐ)分(fēn)為(wéi)光(guāng)束(shù)整形(xíng)，分束(shù)，結構光，多焦，其(qí)他特(tè)殊光(guāng)束產生等種(zhǒng)類；每(měi)種品(pǐn)類(lèi)有不(bù)同(tóng)的原理，設計(jì)和應用特點。一般而(ér)言，在選擇使用(yòng)DOE元件(jiàn)之前(qián)需注(zhù)意(yì)以(yǐ)下原(yuán)則(zé)：
1) 衍(yǎn)射(shè)光(guāng)學元件產生的(dí)光束(shù)也不能(néng)違背(bèi)光(guāng)的(dí)傳(chuán)播規律(lǜ)；其構建(jiàn)的特(tè)定光強(qiáng)分(fēn)布隻能(néng)在一(yī)定景(jǐng)深範圍內存在。因此在(zài)使(shǐ)用時(shí)，所需(xū)的(dí)光(guāng)斑形貌(mào)，尺(chǐ)寸，工作(zuò)距(jù)離，景(jǐng)深等有(yǒu)時(shí)不可(kě)兼得(dé)，需(xū)要(yào)做(zuò)出(chū)權(quán)衡；
2) 衍射(shè)光學(xué)元(yuán)件通(tōng)常(cháng)依據激(jī)光(guāng)的(dí)波(bō)長，光束(shù)口(kǒu)徑(jìng)，光束模式（M²），近(jìn)場強度(dù)分(fēn)布來設計，因此(cǐ)在選(xuǎn)擇前(qián)應較為(wéi)準確(què)的(dí)測量(liáng)這(zhè)些(xiē)參(cān)數(shù)。使用參(cān)數與設計參數不(bù)匹配(pèi)將導(dǎo)致使用效果不佳甚至(zhì)無(wú)法(fǎ)使用；
3) 衍(yǎn)射光(guāng)學(xué)元(yuán)件對(duì)入射光(guāng)的角度敏感，需(xū)要較(jiào)好(hǎo)的光路(lù)調整精度和穩定性(xìng)；
4) 大部(bù)分衍射光(guāng)學元件(jiàn)對(duì)入(rù)射激(jī)光的波前位相(xiāng)進(jìn)行精密(mì)調(tiáo)控，因此光路中(zhōng)的其(qí)他(tā)部(bù)件如反/ 透射鏡(jìng)片，透(tòu)鏡等要使用高(gāo)精(jīng)度(dù)，低(dī)波差的(dí)器(qì)件，否則會影響終的(dí)效果(guǒ)；
5) 和常規(guī)透射光(guāng)學(xué)元件(jiàn)一樣(yàng)，根(gēn)據不同的(dí)波(bō)長，激(jī)光強(qiáng)度(dù)的要求(qiú)，衍射光學元(yuán)件(jiàn)可采用石(shí)英，玻璃，寶石(shí)，塑料與樹脂，ZnSe等紅外(wài)材料(liào)製作，也(yě)可鍍(dù)增透(tòu)膜。
三，光束整形元件
光(guāng)束整形用(yòng)DOE，可在工作麵上(shàng)實(shí)現(xiàn)的光(guāng)斑形(xíng)狀(zhuàng)（正(zhèng)方(fāng)形，多邊(biān)形(xíng)，長條(tiáo)形(xíng)，環形及(jí)圓(yuán)形等）及(jí)能(néng)量分布(如平頂(dǐng)，高斯，環形(xíng)，M型(xíng)等）。
1) 平(píng)頂光束(shù)發生器(Top hat generator)
平(píng)頂分(fēn)布應(yīng)用(yòng)在(zài)激(jī)光醫(yī)美，激(jī)光加工，表麵(miàn)處(chǔ)理(lǐ)等多(duō)種場(cháng)景中(zhōng)。平頂(dǐng)光(guāng)束發生(shēng)器(qì)可(kě)將單(dān)橫模(mó)激光(高(gāo)斯分(fēn)布(bù)，M²<1.3)變換(huàn)成(chéng)為(wéi)圓形，正方形(xíng)，長(cháng)條(tiáo)形等光(guāng)強均匀，邊緣清晰的分(fēn)布(bù)。

圖2：平(píng)頂(dǐng)光(guāng)束發(fā)生(shēng)器(qì)的使用(yòng)及效(xiào)果(guǒ)圖

平(píng)頂光(guāng)束(shù)發生器(qì)的使(shǐ)用特點(diǎn)：
· 適(shì)用(yòng)於單(dān)橫(héng)模高(gāo)斯光束，M² < 1.3；
· 平頂(dǐng)發(fā)生器放(fàng)置於高(gāo)斯(sī)光(guāng)束(shù)束腰時效果佳(jiā)；
· 平頂發(fā)生(shēng)器(qì)不能(néng)產(chǎn)生(shēng)尺度小(xiǎo)於衍射極(jí)限的(dí)光(guāng)斑，通常為1.5倍(bèi)~5倍(bèi)衍射(shè)極限；
· 平頂(dǐng)發(fā)生器在(zài)使用時，光(guāng)學元件(jiàn)要求(qiú)低波差，同(tóng)時有(yǒu)效口徑要在(zài)入射光束腰直(zhí)徑(jìng)的(dí)兩倍(bèi)以上(shàng)，；
· 目標光(guāng)束形狀及(jí)強度分(fēn)布(bù)隻能(néng)在(zài)一定的(dí)距離範(fàn)圍(wéi)內(nèi)保持(chí)，通常(cháng)為光斑(bān)尺(chǐ)寸(cùn)的一半(bàn)；
· 對(duì)入(rù)射光直徑(jìng)，入射光(guāng)中(zhōng)心位(wèi)置，入(rù)射角(jiǎo)度(dù)等(děng)均(jūn)較(jiào)為(wéi)敏感。
平頂光束發生器的主要應用：
· 激光加(jiā)工與(yǔ)處(chǔ)理：微孔，鑽(zuān)孔，焊(hàn)接(jiē)，切割(gē)，劃綫，熔(róng)蝕(shí)
· 醫學(xué)與美(měi)容
· 激光(guāng)顯(xiǎn)示(shì)
· 打標(biāo)與印刷
2) 光(guāng)束匀化器 (Optical Diffuser/ Homogenizer)
光束(shù)匀化器也(yě)可(kě)產生各種形(xíng)狀(zhuàng)，能量均(jūn)匀分布（或特定分布(bù)）的光斑。與平頂光束(shù)發(fā)生(shēng)器(qì)將(jiāng)高斯光束(shù)變(biàn)為(wéi)平頂分(fēn)布不同，光束(shù)匀化(huà)器(qì)將(jiāng)非均匀(yún)，不規則(zé)分布(bù)的光斑均匀(yún)化；平(píng)頂(dǐng)光(guāng)束發生(shēng)器(qì)適(shì)合單模（M²<1.3）激(jī)光使用，光(guāng)束匀(yún)化器對多(duō)模激光(guāng)的匀化效果(guǒ)更好。

 
圖(tú)3：光束匀化器(qì)的使用示(shì)意圖(tú)

光束匀(yún)化(huà)器通常以“漫(màn)射角(jiǎo)(diffusion angle)”來表征準(zhǔn)直光束(shù)經過(guò)器件(jiàn)後(hòu)的發散能力(lì)。可以選配不同焦(jiāo)距(jù)的透鏡(jìng)來實(shí)現不同的投射麵(miàn)積(jī)。
光束匀(yún)化(huà)器的使(shǐ)用特(tè)性(xìng)：
· 對縱向擺(bǎi)放(fàng)位置，橫(héng)向(xiàng)偏移(yí)不敏感；
· 入射角(jiǎo)度(dù)偏(piān)差會導(dǎo)致(zhì)零級輕(qīng)微增加；
· 對入射(shè)光尺(chǐ)寸，偏(piān)振不敏(mǐn)感(gǎn)；對(duì)光(guāng)學(xué)元件的質量(liáng)無(wú)特殊(shū)要求；
· 對M² 較小的單模激光(guāng)匀化效果不(bù)佳，有(yǒu)幹(gān)涉條紋(wén)，但圖樣邊(biān)沿清(qīng)晰；對M² 較大(dà)的(dí)多模激光(guāng)匀(yún)化(huà)效(xiào)果很(hěn)好，但(dàn)邊(biān)沿(yán)略模(mó)糊。

 
圖4 光束匀(yún)化器對單(dān)模（左(zuǒ)），多模（右）激(jī)光的(dí)匀化(huà)效(xiào)果(guǒ)

針對單(dān)模(mó)激(jī)光如有匀(yún)化(huà)要(yào)求，一般(bān)推(tuī)薦使用平頂發生(shēng)器，在不(bù)能(néng)使用(yòng)平頂(dǐng)發(fā)生(shēng)器的場(cháng)合(hé)（如光(guāng)斑M²較小，但(dàn)強(qiáng)度分布不規(guī)則），HOLO/ OR 提供(gōng)“高均(jūn)匀度”係列(liè)產品(pǐn)來(lái)提(tí)升(shēng)均(jūn)匀性。

 
圖(tú)5 標準(zhǔn)（HM）與(yǔ)高(gāo)均(jūn)匀(yún)（HH）產品對(duì)TEM00激(jī)光的(dí)匀(yún)化效(xiào)果

光束匀化器的主要應用：
· 激(jī)光(guāng)光強匀(yún)化(huà)，整形
· 加工與處理：打(dǎ)孔(kǒng)，熔蝕，打(dǎ)標(biāo)，劃綫，焊接
· 醫美(měi)
· 準(zhǔn)分(fēn)子(zǐ)激(jī)光器光(guāng)束(shù)整(zhěng)形(xíng)
· 熱斑抑(yì)製(zhì)
3) 環形發生器
環形(xíng)發(fā)生(shēng)器用(yòng)於產(chǎn)生(shēng)環(huán)狀強(qiáng)度(dù)分(fēn)布(bù)的光(guāng)斑(bān)。常(cháng)用(yòng)的環(huán)形(xíng)發(fā)生器有渦旋位相(xiāng)板，衍射錐(zhuī)透鏡(jìng)，多環(huán)發(fā)生器等(děng)。

 
圖(tú)6 渦旋(xuán)位(wèi)相板，衍(yǎn)射(shè)錐透(tòu)鏡，多環(huán)發生器(qì)產生的圖樣(yàng)

渦旋位(wèi)相板（Spiral Phase Plate, Vortex）
渦旋(xuán)位相板在高斯(sī)光束(shù)的波前(qián)上，沿圓(yuán)周方向(xiàng)施(shī)加0 - 2π連續變(biàn)化(huà)的位相(xiāng)；具備(bèi)渦旋(xuán)位(wèi)相的(dí)光束，在遠場或透(tòu)鏡(jìng)焦(jiāo)麵形成空心(xīn)的(dí)環狀光(guāng)強分布(bù)。
沿圓(yuán)周(zhōu)方向旋轉(zhuǎn)一(yī)周，位相在0 - 2π連(lián)續變(biàn)化(huà)的次(cì)數(shù)稱為渦旋位相(xiāng)板的(dí)“拓(tuò)撲(pū)荷(hé)”或(huò)“拓撲(pū)階(jiē)”。相(xiāng)同焦(jiāo)距(jù)情況下，階(jiē)次越高的(dí)位相(xiāng)板，形成的(dí)環(huán)尺度(dù)越(yuè)大。

圖(tú)7：上：1~4階(jiē)渦旋位相板(bǎn)的(dí)表麵(miàn)形貌（相(xiāng)延）示意圖(tú)

下：1 ~ 4階渦旋(xuán)位(wèi)相板(bǎn)形成(chéng)的遠場強(qiáng)度(dù)分(fēn)布(bù)圖(tú)

渦(wō)旋位相板通(tōng)常配合透鏡(jìng)使用(yòng)。其(qí)在(zài)使用中的(dí)注(zhù)意事(shì)項和特性如(rú)下(xià)：
· 輸(shū)入光需(xū)要TEM00單橫(héng)模；所(suǒ)有光(guāng)學元件(jiàn)要求(qiú)低波(bō)差(chà)；
· 1階渦(wō)旋位相板將高斯光束變(biàn)為(wéi)軸對稱TEM01模；
· 1階渦(wō)旋(xuán)位相板在焦(jiāo)平(píng)麵形(xíng)成的圓環尺度與高(gāo)斯(sī)光束(shù)的(dí)衍(yǎn)射極(jí)限(xiàn)相當；
· 圓環分(fēn)布(bù)隻在焦(jiāo)平麵(miàn)前後一段(duàn)距(jù)離(lí)（約(yuē)為(wéi)光斑(bān)尺(chǐ)寸(cùn)的(dí)一半）保持(chí)；
· 對(duì)光束中心(xīn)對位，傾(qīng)斜(xié)均敏(mǐn)感；較大的(dí)輸入光斑有助於降低敏感度。

圖(tú)8 渦旋(xuán)位相板的使用(yòng)示(shì)意圖(tú)

除了產(chǎn)生環形結(jié)構外(wài)，渦(wō)旋光本(běn)身的位相(xiāng)特(tè)征也被(bèi)很多物(wù)理實(shí)驗所利(lì)用。
Holo/ or 公司還提供一種(zhǒng)矩形渦旋(xuán)位(wèi)相(xiāng)板(bǎn)，對光(guāng)束尺(chǐ)寸(cùn)不(bù)敏(mǐn)感，對(duì)離焦(jiāo)，偏(piān)心敏(mǐn)感度(dù)較低(dī)。
如光源為多(duō)模激(jī)光(guāng)，需(xū)要產生(shēng)環形(xíng)結構，可(kě)采用(yòng)衍射錐(zhuī)透(tòu)鏡(jìng)。
環(huán)形發生器(qì)（渦(wō)旋位相板）的主(zhǔ)要應用(yòng)：
· 天(tiān)文學
· 光鑷(niè)
· 加密(mì)
· 顯(xiǎn)微(wēi)與超(chāo)分(fēn)辨顯微(wēi)
· 光刻
衍射錐透鏡(jìng)（Diffractive Axicon）
錐(zhuī)透(tòu)鏡(jìng)被廣泛用於(yú)激光加(jiā)工中產生貝塞爾(ěr)光束，以(yǐ)實現(xiàn)較大(dà)的焦深(shēn)。在錐透(tòu)鏡(jìng)上加以(yǐ)衍(yǎn)射(shè)光學技術，可(kě)將準(zhǔn)直(zhí)光變換為圓錐(zhuī)麵上(shàng)傳輸(shū)。經(jīng)過(guò)透(tòu)鏡(jìng)成(chéng)像，可(kě)以實(shí)現(xiàn)環形(xíng)光斑(bān)。如用(yòng)於點光(guāng)源(yuán)，可形成沿軸向(xiàng)分布的(dí)焦綫。
對光(guāng)束(shù)直徑，衍射(shè)錐(zhuī)透鏡的(dí)位置(zhì)加以調整(zhěng)，可(kě)實(shí)現(xiàn)不同(tóng)的直(zhí)徑(jìng)以(yǐ)及(jí)不同(tóng)的(dí)粗(cū)細(xì)的(dí)環(huán)：

圖9 調節(jié)環形(xíng)結(jié)構(gòu)的粗(cū)細(xì)（上(shàng)）以(yǐ)及直(zhí)徑（下）

衍(yǎn)射(shè)錐透鏡(jìng)的特征：
· 環寬度為衍(yǎn)射極*級(jí)（折射(shè)/多層型(xíng)為1.75倍衍射(shè)極限(xiàn)，二元(yuán)衍射(shè)結(jié)構為1倍）
· 中心(xīn)偏差，角度偏(piān)差敏感(gǎn)；
· 光束口徑，M²，偏振(zhèn)不(bù)敏感；
衍射(shè)錐(zhuī)透(tòu)鏡的主要應用：
· 原(yuán)子陷俘
· 直(zhí)綫加速器(qì)等(děng)離子(zǐ)體產生
· 環形光(guāng)斑(bān)眼(yǎn)科手術
· 太陽光(guāng)聚(jù)光器(qì)
· 激光錐(zhuī)鏡腔(qiāng)
· 激光(guāng)鑽(zuān)孔/ 微(wēi)孔
· OCT
· 角(jiǎo)膜(mó)手術
· 望(wàng)遠鏡(jìng)
 多環(huán)發生器
Holo/ or 可(kě)提供多達上百(bǎi)環(huán)的環(huán)形光束發生器。多環(huán)發(fā)生器(qì)較為適合(hé)軸對稱3-D形貌(mào)的照(zhào)明，因此(cǐ)常用在3-D形(xíng)貌(mào)儀以(yǐ)及(jí)機器視覺(jué)領域。
4) 其(qí)他光束(shù)整形器
M型光(guāng)束發(fā)生(shēng)器(qì)
針對綫(xiàn)掃描(miáo)應(yīng)用(yòng)中，高斯型(xíng)/平頂型光(guāng)斑(bān)會導(dǎo)致(zhì)中心(xīn)過曝的(dí)情(qíng)況，導(dǎo)致(zhì)刻槽兩(liǎng)端(duān)為弧形。M型(xíng)光束發生器(qì)在(zài)工作麵上(shàng)構建中心弱(ruò)，邊緣(yuán)強(qiáng)且銳(ruì)利的光(guāng)斑，避免這種情(qíng)況(kuàng)發生(shēng)。

圖(tú)10：M型光束綫掃描強度(dù)分布（左）及光斑(bān)形貌（右(yòu)）

 
四(sì)，衍(yǎn)射(shè)分束(shù)器（多光(guāng)束衍射(shè)元件）
衍(yǎn)射(shè)分(fēn)束器將準直(zhí)光束(shù)分(fēn)為一(yī)維(wéi)排(pái)列或二維(wéi)排列的多個(gè)光束，每個光束保持原來(lái)的特征，以(yǐ)不同的(dí)角(jiǎo)度(dù)出射。衍(yǎn)射分(fēn)束器(qì)本(běn)質上是光(guāng)柵(zhà)結(jié)構(gòu)，其出(chū)射角(jiǎo)滿足光柵方(fāng)程。通(tōng)過(guò)精(jīng)心(xīn)的設(shè)計(jì)二(èr)元或多元的衍射單(dān)元結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)各路(lù)輸(shū)出之間的(dí)能量分(fēn)配。復雜的衍(yǎn)射分束器(qì)可產(chǎn)生大角度(dù)的(dí)寬場照明以(yǐ)及(jí)特定圖樣(yàng)的(dí)光斑分布(bù)。
一維或二維陣列(liè)光(guāng)束，通過透鏡聚焦後(hòu)可形成焦點(diǎn)陣(zhèn)列(liè)，用於高功率(shuài)激(jī)光並行加(jiā)工(gōng)。

 
圖(tú)11：衍(yǎn)射分(fēn)束(shù)器的(dí)示(shì)例(lì)，從(cóng)左(zuǒ)至(zhì)右：二(èr)維(wéi)分(fēn)束器，光(guāng)束(shù)取(qǔ)樣，編(biān)碼結構光(guāng)

1）分束(shù)器

圖(tú)12 左：奇/偶數分束器(qì)的光束分(fēn)布；右：分(fēn)束(shù)器配(pèi)合透鏡(jìng)構成(chéng)聚焦陣列

分束器在(zài)選(xuǎn)擇時首先需要(yào)考慮(lǜ)所需要(yào)的出(chū)射光束數(shù)量，分布（一(yī)維(wéi)或二維(wéi)），全角(jiǎo)，分離角(jiǎo)等(děng)因素。常(cháng)規的(dí)分(fēn)束(shù)器(qì)提供等角度分離(lí)，功率(shuài)/能量(liáng)均(jūn)分。特殊(shū)的(dí)角度和能量分配也可以訂製。
分(fēn)束(shù)器(qì)適(shì)用於單(dān)橫(héng)模或多橫模(mó)激光，對光束(shù)的偏(piān)離不(bù)敏(mǐn)感(gǎn)，同(tóng)時適(shì)應各種光束(shù)形貌(mào)。
2）光(guāng)束取(qǔ)樣器
光束(shù)取樣(yàng)器用於對(duì)高(gāo)功率激(jī)光進(jìn)行取樣，其+1，-1級衍(yǎn)射光(guāng)斑分配少(shǎo)量功率並(bìng)保持原光束(shù)的(dí)傳(chuán)輸(shū)特性(xìng)，以便(biàn)對(duì)高(gāo)功率激(jī)光進(jìn)行(háng)監(jiān)控和(hé)測試(shì)；而零級則(zé)集(jí)中了(liǎo)主(zhǔ)要的能量。
圖(tú)11中間圖(tú)樣展(zhǎn)示了光束(shù)取(qǔ)樣器的功能和效果(guǒ)。
3）結構光發(fā)生器(qì)
結(jié)構光(guāng)發生器(qì)可(kě)以(yǐ)產生各(gè)種訂(dìng)製(zhì)的光強(qiáng)分(fēn)布(bù)：形狀(zhuàng)，紋(wén)路(lù)，周期......。通過將(jiāng)結(jié)構光透射到凹凸不平的(dí)表麵(miàn)，通過測量其(qí)光(guāng)強分布(bù)的形變，可(kě)以計(jì)算目標(biāo)不同位置的(dí)深(shēn)度(dù)，運動等。
結(jié)構(gòu)光(guāng)發生器在(zài)3-D成像（如(rú)人臉(liǎn)識別），3-D傳感（如(rú)自動(dòng)駕(jià)駛激(jī)光(guāng)雷達），機(jī)器(qì)視覺(jué)與(yǔ)計算視(shì)覺(jué)方麵有廣闊(kuò)的應(yīng)用前景。
圖13 顯(xiǎn)示了(liǎo)結(jié)構光(guāng)發生(shēng)器(qì)產生的(dí)部(bù)分規則光(guāng)強分(fēn)布；圖(tú)11右圖則展(zhǎn)示了(liǎo)通過結(jié)構光發生(shēng)器產生(shēng)的(dí)復雜二(èr)維(wéi)編(biān)碼。

圖(tú)13 結構光發生器產(chǎn)生各種規(guī)則分布(bù)示(shì)例(lì)

五，焦點衍射元件
與前(qián)述幾類衍射元(yuán)件主(zhǔ)要在特(tè)定工作麵(miàn)或一(yī)定景(jǐng)深(shēn)範(fàn)圍(wéi)內，產(chǎn)生(shēng)橫(héng)向（垂(chuí)直於激(jī)光傳(chuán)輸方(fāng)向）平麵(miàn)的光強分(fēn)布(bù)不同，焦點衍射(shè)元(yuán)件用於(yú)激光聚(jù)焦(jiāo)後(hòu)縱(zòng)向（沿激光(guāng)傳輸方(fāng)向）的(dí)特定(dìng)分布。
根據傳(chuán)播定律(lǜ)，任(rèn)何(hé)光(guāng)束在聚(jù)焦後隻能(néng)在一定傳(chuán)播距(jù)離(lí)內（通(tōng)常是瑞(ruì)利長(cháng)度）內(nèi)保持(chí)焦(jiāo)斑(bān)的尺寸，超過(guò)這(zhè)個範(fàn)圍光(guāng)束(shù)將發(fā)散。在激光(guāng)切割，鑽(zuān)孔(kǒng)等應用中，當加(jiā)工(gōng)深度較(jiào)大時(shí)，這(zhè)種特性常(cháng)常造(zào)成(chéng)困擾。焦(jiāo)點(diǎn)衍射(shè)元(yuán)件(jiàn)應運而(ér)生(shēng)，通(tōng)過衍(yǎn)射(shè)光(guāng)學構成能夠(gòu)在較(jiào)長(cháng)傳播距(jù)離內保持能量集中(zhōng)度(dù)的(dí)聚焦(jiāo)特性，保(bǎo)證(zhèng)激光加(jiā)工的(dí)質量(liáng)。
這方麵(miàn)的器(qì)件(jiàn)主要有多焦點DOE，貝塞爾(ěr)DOE等。
1）多焦點(diǎn)衍(yǎn)射元件

 
圖(tú)14 五(wǔ)焦(jiāo)點衍射元(yuán)件(jiàn)（左(zuǒ)）；兩種不(bù)同器件的(dí)使用方式（右(yòu)）

多交點DOE在光軸(zhóu)方(fāng)向產(chǎn)生多個(gè)焦(jiāo)點，每個(gè)焦點(diǎn)都可(kě)具備衍(yǎn)射(shè)極限(xiàn)的尺(chǐ)度(dù)，並(bìng)分(fēn)配一(yī)定(dìng)比例的激光能量(liáng)（通(tōng)常(cháng)為(wéi)等分）。這種分布保(bǎo)證(zhèng)了在一定縱(zòng)深範(fàn)圍內(nèi)，各(gè)個(gè)焦(jiāo)點(diǎn)處(chǔ)激(jī)光(guāng)具(jù)備同樣的功率/能(néng)量密度。
如圖(tú)14 （左）所示，多焦點DOE有(yǒu)兩(liǎng)種類型；一種(zhǒng)類型集成了聚焦透鏡功能(néng)，其焦(jiāo)距，焦(jiāo)點間距(jù)是(shì)固(gù)定的(dí)；第(dì)二種類(lèi)型(xíng)由DOE產(chǎn)生多焦(jiāo)點(diǎn)效(xiào)應，而(ér)焦距(jù)，焦點間距(jù)由(yóu)附(fù)加透(tòu)鏡(jìng)決(jué)定。
多(duō)焦點衍射元件對入射(shè)光的(dí)位(wèi)置(zhì)，角度均(jūn)敏感。
多(duō)DOE主要用於眼科(kē)，光學(xué)傳感(gǎn)器，激(jī)光切割與(yǔ)鑽孔，並行(háng)變(biàn)焦係統，顯(xiǎn)微等。
2）貝塞(sāi)爾衍射(shè)元件
貝塞爾衍射(shè)元件產(chǎn)生貝塞爾光(guāng)束(shù)，經過聚(jù)焦後具備比高(gāo)斯(sī)光束(shù)更長的(dí)景深(shēn)，同(tóng)時(shí)具(jù)備(bèi)更(gēng)大(dà)的光斑(bān)直(zhí)徑。

 
圖(tú)15 高(gāo)斯(sī)光束(shù)（下）與貝(bèi)塞爾光(guāng)束(shù)（上(shàng)）經過(guò)相(xiāng)同(tóng)透(tòu)鏡(jìng)後(hòu)的(dí)焦斑軸向分布

貝塞爾衍(yǎn)射元(yuán)件可(kě)直接插入(rù)激(jī)光加(jiā)工(gōng)係統或顯(xiǎn)微係(xì)統中使(shǐ)用(yòng)，不(bù)改(gǎi)變(biàn)原有(yǒu)的焦(jiāo)距，犧(xī)牲一定的(dí)橫(héng)向(xiàng)聚(jù)焦特性，得到更長的焦深(shēn)。與常規聚焦一(yī)樣(yàng)，貝(bèi)塞(sāi)爾光(guāng)束(shù)的(dí)焦(jiāo)斑(bān)尺寸和(hé)焦深也(yě)受激(jī)光原有(yǒu)的激(jī)光(guāng)光斑(bān)直(zhí)徑，發(fā)散角(jiǎo)影(yǐng)響(xiǎng)。
3）其(qí)他(tā)焦(jiāo)點(diǎn)衍射元件(jiàn)
l DeepCleave 超快激(jī)光玻璃(lí)切割模(mó)組

 
圖16 Deepcleave 玻(bō)璃切(qiē)割DOE

 
DeepCleave為專(zhuān)門為玻璃(lí)切割開(kāi)發的模(mó)組(zǔ)。針(zhēn)對(duì)玻璃或其(qí)它透(tòu)明，硬(yìng)脆材料(liào)，超快激光(guāng)切割(gē)是(shì)方法之一。當切(qiē)割(gē)厚度達(dá)到0.5mm以上(shàng)式，需要考(kǎo)慮(lǜ)焦斑的焦深。DeepCleave可(kě)以實現(xiàn)在(zài)1~2mm範圍內(nèi)1.8微米(mǐ)束(shù)腰(yāo)的(dí)光(guāng)斑(bān)，尤其(qí)適(shì)合超(chāo)快激光玻(bō)璃切(qiē)割(gē)應(yīng)用(yòng)。圖(tú)16（左）顯示了(liǎo)DeepCleave（藍色）與常規(guī)貝塞爾DOE（紅色(sè)）產生(shēng)的焦斑(bān)的能(néng)量密(mì)度(dù)沿光軸(zhóu)的(dí)分(fēn)布(bù)。DeepCleave可提(tí)供相當長距離內(nèi)均(jūn)一(yī)的激光強度。
雙波(bō)長(cháng)DOE與消色差(chà)透(tòu)鏡
雙波長DOE通常用於(yú)可見的HeNe激光與(yǔ)遠(yuǎn)紅外(wài)CO2激(jī)光的色差(chà)矯正。通過在(zài)平(píng)凸(tū)透(tòu)鏡的平(píng)麵(miàn)增加(jiā)衍射單元，可以實現(xiàn)CO2激光與HeNe激光的焦(jiāo)點重合，滿足(zú)醫(yī)學應(yīng)用需求；而(ér)衍(yǎn)射(shè)光學的F-Theta透(tòu)鏡(jìng)則(zé)可(kě)以(yǐ)同(tóng)時實現(xiàn)兩種(zhǒng)激光的焦距矯(jiǎo)正與(yǔ)場矯正(zhèng)，無(wú)需在掃(sǎo)描(miáo)頭中(zhōng)配置(zhì)雙波(bō)長透(tòu)鏡(jìng)。
在(zài)部分(fēn)高(gāo)功(gōng)率激光應(yīng)用(yòng)中，需要(yào)使(shǐ)用1064nm，532nm，355nm共軸激光(guāng)。常規的透(tòu)鏡因為色(sè)差無法(fǎ)實現(xiàn)三個(gè)波長(cháng)共(gòng)焦，而(ér)膠(jiāo)合消色差透鏡組(zǔ)則(zé)有(yǒu)損(sǔn)傷(shāng)閾(yù)值低，溫(wēn)度導致(zhì)色(sè)差，消(xiāo)球(qiú)差不(bù)便以及體(tǐ)積冗(rǒng)大(dà)的缺點；采用衍(yǎn)射(shè)光(guāng)學元件可(kě)以(yǐ)實現單片消(xiāo)色差，消球差的功(gōng)能。

圖(tú)17 CO2/HeNe雙波長衍射(shè)光(guāng)學透(tòu)鏡(jìng)（左）及(jí)高功(gōng)率三波長(cháng)消色差透鏡（右）的功能(néng)示意(yì)

小(xiǎo) 結
通(tōng)過(guò)對激光波前位相(xiāng)在(zài)微米(mǐ)尺度(dù)的(dí)控製(zhì)，衍射光(guāng)學元件(jiàn)能(néng)夠(gòu)生(shēng)成各(gè)種位相分布，主要(yào)可實(shí)現：
1）像麵上幾乎任意形狀和分布的(dí)光斑(bān)；
2）特殊(shū)的位(wèi)相分(fēn)布；
3）特殊的焦斑(bān)軸(zhóu)向分(fēn)布(bù)；
4）數(shù)個(gè)波(bō)長(cháng)的色(sè)差(chà)矯(jiǎo)正。
實(shí)現這些功能的同時(shí)，衍射(shè)光(guāng)學元(yuán)件具有體(tǐ)積小，損傷閾(yù)值(zhí)高，使(shǐ)用(yòng)簡單等(děng)優(yōu)勢。
衍(yǎn)射光學元件在激光加工(gōng)，光學顯微，成像，生物(wù)醫(yī)學，顯示與印刷，3-D成像和遙感(gǎn)等等(děng)領域有巨大的應用(yòng)，並(bìng)將有(yǒu)越來越多的應用被(bèi)開發(fā)出來(lái)。下一期(qī)將介紹衍射光(guāng)學(xué)元件的部分(fēn)應(yīng)用(yòng)。