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衍射光学元件的分类

2019-01-24 11:29:30 来源：海纳光学

衍射光学元件是采用物理光学原理设计的，利用光的衍射效应对光束能量进行重新分配。目前常用的衍射光学元件（DOE）包括平顶光束整形器，M-Shape型光束整形器，分束镜，衍射轴锥镜，多焦点长焦深DOE，螺旋相位片和匀化镜/匀光片，多圆环发生器。
衍射光学元件简称为衍射元件，下面将对常用的衍射光学元件种类进行逐一介绍。

1. 平顶光束整形器，高斯光整平顶光DOE
平顶光束整形器又称为聚焦型平顶光束整形元件、激光平顶光斑透镜，其作用是获得能量分布均匀、边界陡峭，同时具有特定形状的平顶光斑（Top-hat）。光斑尺寸一般在几十微米到几百微米的范围，光斑形状可以是圆形，矩形，正方形，直线，椭圆或定制图形，具有非常好的能量均匀性，能够实现各种高精度的激光加工应用。
平顶光束整形器，平顶光斑透镜的规格参数

材料	熔融石英, ZnSe, Plastic
波长范围	193nm to 10.6um
DOE设计	2-阶 (binary) to 16-阶
*小角度	很小(~1.5倍衍射极限)
衍射效率	86% - 98%
透镜/元件尺寸	几毫米 to 100mm
涂层(可选)	AR/AR Coating
定制选项	任意激光形状

特点：
高质量的平顶激光光斑，高度均匀性、高光效、边缘陡峭
高能量阈值/高损伤阈值，适用于大功率激光器
可选择增透膜，使整体效率>95%
覆盖紫外到红外的所有激光波段，193nm to 10.6um
几百种标准规格供客户挑选
应用：
激光处理加工: 激光切割，激光划片，激光烧蚀，激光熔融，激光打孔，激光钻孔，激光焊接，激光快速成型，激光3D打印
生物医学激光应用
激光打标，激光印刷，激光显示，激光电视，激光投影
光通信，光传感，传感器

发散型（Angular）平顶光束整形器
还有一种是发散型（角度型Angular）平顶光束整形器，它在传播方向的任一平面上都有整形的效果，并且随着传播距离发散，同样非常好的光斑均匀性。发散型（角度型Angular）是平顶光束整形器对应于聚焦型（Focal）的一个概念，其技术特点和应用和聚焦型元件基本相同。

2.      M-Shape光束整形器，M波形衍射光学元件
M-Shape光束整形器，M波形衍射光学元件的作用是把入射激光整形为M波形（M-Shape），而M波形（M-Shape）指的是激光光斑沿某一方向匀速滑动，积分后的能量均匀分布，即形成一条能量均匀分布的窄直线。M-Shape激光光斑的这个特性使得其特别适用于激光材料加工。
M波形光束整形器的特点
标准的M型输出（积分前）
整个激光扫描线的能量均匀分布（积分后），光斑边缘锐利
高效率，高损伤阈值，适用于大功率激光器
任意光束形状，可选择增透膜AR Coating
覆盖紫外到红外的所有激光波段，193nm to 10.6um

3.      匀化镜/匀光片
匀化镜又称为匀光片，其作用是使激光的光束以一个较大的角度均匀发散，从而使激光能量在一个较大的范围内均匀分布。激光匀化器和平顶光束整形器都是形成一个能量均匀分布的激光光斑，而两者的区别在于出射光束角度不同到导致的光斑尺寸不同，平顶光束整形器获得的光斑尺寸一般为微米量级，而激光匀化器输出毫米级的均匀光斑。
特点
对单模或多模激光均适用
玻璃或塑料材质
对激光的轴向性无严格要求
可实现任意的输出光斑形状和激光光斑对称性/不对称性，可定制激光剖面强度部分
激光光斑截面强度一致性好

4.    螺旋相位片，激光涡旋透镜，
螺旋相位板（Vortex Lens）是得到相位连续变化的一种常用DOE元件，其作用是产生直径较小的圆环形光斑（Vortex），光斑的外观像一个漩涡状的甜甜圈，也称为漩涡光。螺旋相位片是获得漩涡光*直接*简单的方法，它能够方便地设计漩涡光的直径和拓扑荷数，满足用户的实际需求。
特点：
任意拓扑数量（topological charge）
高效率，高损伤阈值，适用于大功率激光器
背反射能量极小
覆盖紫外到红外的所有激光波段，193nm to 10.6um

5.    多焦点透DOE，长焦深DOE
如左下图所示，多焦点DOE是利用对照射到镜片不同局域的入射激光分别聚焦，在轴向传播方向上同时得到多个焦点，各焦点的能量、间距几乎相等，特别适合于深入透明材料内部加工，例如激光深度切割，隐形切割，0.1~1mm的玻璃或蓝宝石切割。
如下图右下角所示，长焦深DOE能够把入射激光在焦距附近产生一个能量近乎均匀分布、焦深的长度达几十微米到几毫米的焦点。激光焦点可拉长为原来的几十倍，且宽度基本保持不变。能量均匀的长焦深光斑特别适合对材料进行深度切割。
长焦深DOE和多焦点DOE互为补充，特别适合于激光材料加工领域。例如激光透明材料的切割（玻璃，蓝宝石等），激光度量学，激光过程监控/监测、显微镜等

6.      衍射轴锥镜，圆环激光发生器
衍射轴锥镜又称为圆环激光发生器（Ring Axicon），其作用是使激光光束通过后变成一个圆环，即激光能量以圆环/圆形的方式分布，这里圆环的宽度一般很窄，不同于激光涡镜头产生的光斑都具有一定宽度。

特点：
高损伤阈值，适用于大功率激光器
小尺寸衍射光学元件，结构紧凑
大角度和小角度均可提供
可提供正向负向轴棱镜
覆盖紫外到红外的所有激光波段，193nm to 10.6um
可选镀增透膜
应用：
原子陷阱
线性加速器中产生等离子体
眼外科治疗和手术，角膜手术
轴棱镜振荡器
太阳能集中器
光学相干断层成像术
望远镜

7.      多圆环激光发生器，同心圆环激光透镜
多圆环激光发生器的能够把入射光束转化为多个同心圆环（Ring Concentric circles），这些圆环的半径都可控切且圆环的宽度都很窄，类似于圆环激光发生器。圆环的直径、数量均、圆环之间的分离角度和每个圆的能量分布均可定制，从而得到多种不同的同心圆环激光图形。

特点：
高损伤阈值，适用于大功率激光器
小尺寸衍射光学元件，结构紧凑
大角度和小角度均可提供
覆盖紫外到红外的所有激光波段，193nm to 10.6um
可选镀增透膜
应用：
3D地图
激光3D打印，激光三维加工
机器视觉
医学手术检查，诊断

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