[激光原理与应用-294]：理论 - 波动光学 - 衍射光学元件（DOE）
衍射光学元件（DOE）是一种基于光波衍射理论，利用计算机辅助设计，通过微纳加工技术在基片上刻蚀出台阶或连续浮雕结构，从而实现对光波前和光谱调制的光学元件。以下是对衍射光学元件（DOE）的详细介绍：
一、工作原理
DOE的工作原理主要基于光的衍射现象和相位调制技术。当光线穿过具有周期结构的介质（如DOE的表面）时，会产生多个阶次的散射，这些散射光波会相互叠加，形成复杂的干涉图样。DOE通过其表面上的微结构（如光栅、浮雕图案等）对入射光进行调制，使光波在传播过程中发生弯曲和分散，从而实现对光场的精确控制。
二、主要类型与功能
2.1 光束整形器：
- 功能：将高斯光束整形为平顶分布、线形分布、环形分布等特定形状的光斑，或实现光强匀化。
- 应用：激光加工（如微孔钻孔、切割）、医学美容、激光显示、打标印刷等。
- 特点：支持单模/多模激光输入，光斑形状和能量分布可定制，能量均匀性优异。
2.2 分束器：
分束器是一种能将一束光分成两束或多束光的光学装置，其核心原理基于光的反射、透射及干涉效应，广泛应用于干涉仪、双目视觉、激光加工、光纤通信等领域。
分束器通过部分反射和部分透射的特性实现光束分割，具体原理因类型而异：
基于镀膜的分束
在分束器表面镀特殊膜层（如金属膜或介质膜），使入射光按特定比例反射和透射。例如，50/50分束器可将光强均分为两束。基于干涉的分束
- 法布里-珀罗型：光在分束器内部两个平行反射面间多次反射，形成相干光束，通过干涉效应分配光能。
- 迈克尔逊型：入射光被分为两束，一束直接通过耦合器，另一束经反射镜系统后返回，两束光干涉形成条纹，通过调节反射镜角度可精确控制分束比例。
基于波导结构的分束
在光纤通信中，光分路器利用光波导的干涉效应，将输入光信号分路至多个输出端口，输出功率比取决于波导中模式的横向分布和相位差。
- 功能：将准直光束分割为一维或二维排列的多个光束，各子光束保持原始光束特性（直径、发散角、波前分布）。
- 应用：光通信、光学测量、激光加工等。
- 特点：通过二元/多元衍射单元设计实现能量分配，达曼光栅等特殊结构可产生均匀点阵。
2.3 多焦点/长焦深元件：
- 功能：多焦点DOE在传播方向上生成多个等能量焦点，长焦深DOE将焦点拉长至几十微米至几毫米。
- 应用：激光深度切割（玻璃、蓝宝石）、激光度量学、显微成像等。
- 特点：解决激光焦点深度不足问题，实现高质量深度切割。
2.4 结构光发生器：
- 功能：产生定制光强分布（形状、纹路、周期），通过测量形变计算目标深度/运动。
- 应用：3D传感、机器视觉、生物医学成像等。
- 特点：支持复杂光场调制，满足高精度测量需求。
三、技术优势
- 高效率：精确设计的衍射单元结构可实现接近100%的激光能量利用率，远高于传统掩膜方法。
- 灵活性：微纳加工技术支持针对不同激光器或目标光强分布的定制化设计，适配多种光路结构。
- 集成性：体积小、重量轻，可与标准透镜、场镜等光学元件无缝集成。
- 功能性：通过单一元件实现光束整形、分束、聚焦等复杂功能，简化光路设计。
四、应用领域
- 激光加工：通过平顶光束整形、多焦点切割等技术提升加工精度和效率，应用于微电子、新材料等领域。
- 光学成像：在显微镜、望远镜等系统中提高分辨率和成像质量，辅助生物医学研究。
- 光通信：实现光信号调制、解调和复用，支撑高速光通信网络发展。
- 生物医学：用于光学相干断层扫描（OCT）、流式细胞术等诊断技术，以及激光手术、光动力治疗等医疗场景。
- 消费电子：在AR/VR设备中生成结构光场，提升人机交互体验。