什么是DOE元件？

衍射光學(xué)元件（Diffractive Optical Elements, DOE）是一種基于光波衍射原理，通過微納階梯結(jié)構(gòu)或者液晶聚合物分子排布對光波前進(jìn)行精確調(diào)控的光學(xué)器件。其實現(xiàn)結(jié)構(gòu)分為刻蝕DOE與液晶聚合物DOE。

圖1 液晶聚合物DOE實物圖

此處以LBTEK麓邦DOE為例，麓邦已經(jīng)在微納光子學(xué)和光學(xué)裝備這個領(lǐng)域深耕多年，主要圍繞拓?fù)涔庾訉W(xué)、超表面位移測量、多焦點微納加工這些前沿方向，靠著自主的液晶微納光子學(xué)技術(shù)，他們還建起了國內(nèi)第一條能規(guī)?；慨a(chǎn)的生產(chǎn)線，加上加工設(shè)備和成熟工藝，做出來的微納光學(xué)元件在設(shè)計靈活度、精度和穩(wěn)定性上都有保障。

在光束控制上，麓邦有高精度相位板、衍射透鏡、分束器等關(guān)鍵器件，能搞定光束勻化、波前整形、能量分配等各種場景需求。尤其是他們自研的勻化型 DOE 元件，用了相位調(diào)制和表面浮雕工藝，吸收率低、抗激光損傷能力強(qiáng)，能把高斯光束高效整形得更均勻，特別適合可見光和近紅外波段、高能量密度的使用場景。

為什么要用DOE元件做光束整形？

• 體積小，重量輕，光路簡單，只需要一片DOE鏡片插入光路中即可完成整形需求；（無論是SLM空間光調(diào)制器、非球面勻化鏡頭體積都很大，微透鏡陣列只適合做大尺寸的勻化整形且需要多模光入射，勻化光纖需要配套激光器與特制的鏡頭）

• 極致的設(shè)計靈活性（形狀 / 分布任意定制）；（可定制方形、矩形、圓形、三角形等多種形狀，復(fù)雜的圖案化、文字化均可）

• 整形精度更高加工效果更好

圖2 高斯光斑（左）和勻化光斑（右）加工后表面形貌

綜上，選擇 DOE 的根本原因：用最小體積、最高效率、最靈活設(shè)計，實現(xiàn)最精準(zhǔn)光場控制。它是單片元件替代復(fù)雜光學(xué)組的最優(yōu)解，尤其適合高功率、高精度、集成化的現(xiàn)代激光系統(tǒng)。

DOE的結(jié)構(gòu)與分類

1.1 石英刻蝕DOE

衍射光學(xué)元件（Diffractive Optical Elements, DOE）核心工作原理源于惠更斯-菲涅爾衍射理論：當(dāng)光波入射至DOE表面時，其表面的微米或亞微米級浮雕結(jié)構(gòu)對不同位置的光引入特定相位延遲，各點作為次波源發(fā)出的子波在傳播中發(fā)生干涉疊加，最終在目標(biāo)平面形成預(yù)設(shè)的光強(qiáng)分布，實現(xiàn)光束整形。

DOE的結(jié)構(gòu)通常為在石英、玻璃或聚合物基底上通過電子束刻蝕、激光直寫等微納加工技術(shù)制備的周期性或非周期性臺階狀、連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)等效于相位型衍射光柵，通過精確設(shè)計每個單元的形狀、深度與分布，可調(diào)控出射光的相位分布，實現(xiàn)高衍射效率（通?？蛇_(dá)85%以上）與低雜散光。

圖3 石英刻蝕DOE微結(jié)構(gòu)與工藝流程示意圖

（不同高度的臺階，光通過的玻璃厚度不一樣，光程不一樣就產(chǎn)生了光程差（相位差），這種差異的組合就可以對光束能量分布進(jìn)行調(diào)制了）

1.2 聚合物液晶DOE

液晶衍射光學(xué)元件（Liquid Crystal Diffractive Optical Elements, LC-DOE）是一類特殊的衍射光學(xué)器件，它結(jié)合了液晶材料的電光特性與衍射光學(xué)原理。與傳統(tǒng)基于固定微納浮雕結(jié)構(gòu)的熔融石英或二元光學(xué)DOE不同，液晶DOE利用液晶分子的排列特性來實現(xiàn)對光波相位的調(diào)制。

液晶DOE器件一般為三明治結(jié)構(gòu)，由兩層玻璃或石英基板夾一層um級的液晶功能薄膜層組成。制成鏡片形式的為固定排列的液晶分子結(jié)構(gòu)，其相位和功能不可改變。

圖4 液晶DOE實拍圖（偏振片下能觀看到相位圖案）

圖5 液晶DOE勻化效果實測圖展示

1.3 兩種DOE參數(shù)解析對比

圖6 液晶與石英勻化DOE參數(shù)對比

1.4 DOE特點與使用

① 入射DOE的激光要求

• 激光波長與DOE設(shè)計波長一致

• 單模激光入射，M2＜1.3（DOE的整形過程可以看作成一個精密調(diào)控轉(zhuǎn)化的過程，入射光的能量分布與整形光斑是一一對應(yīng)的，入射光束分布越規(guī)則，M2越接近1，轉(zhuǎn)換結(jié)果越精確，整形效果越好）

• 準(zhǔn)直平行光入射

• 功率低于損傷閾值

② 偏振特性

• 液晶DOE：隨機(jī)偏振

• 刻蝕DOE：無要求

③ 平頂光斑尺寸局限性（與衍射極限尺寸DL相關(guān)）

• 液晶DOE：1.5DL-15DL

• 刻蝕DOE：1.5DL-8DL

④ 適用波長相關(guān)性：單波長，設(shè)計波長±5nm之內(nèi)，盡可能一致

⑤ 液晶DOE與刻蝕DOE優(yōu)劣勢

液晶DOE：

• 優(yōu)勢：成本更低、制作周期更短、整形精度效果更優(yōu)（階數(shù)高）、紅外激光整形加工不二之選

• 劣勢：紫外光失效、高功率（≥2Kw）應(yīng)用不穩(wěn)定、對偏振有一定要求

刻蝕DOE：

• 優(yōu)勢：紫外-紅外寬波段均可應(yīng)用、純石英結(jié)構(gòu)適用高功率應(yīng)用

• 劣勢：成本高、加工周期長、最高16階（階數(shù)越高、加工難度越高、成本越高，液晶則無太大區(qū)別）

平頂勻化DOE的應(yīng)用介紹

1. 光伏領(lǐng)域-BC刻蝕開膜、TOPCon減薄、Si層激光氧化等

部分太陽能電池采用背接觸結(jié)構(gòu)，將所有電極和導(dǎo)電路徑置于電池背面，以減少表面陰影遮擋，提高光電轉(zhuǎn)換效率。激光劃槽是這一工藝的關(guān)鍵步驟，但傳統(tǒng)高斯光斑劃槽易出現(xiàn)切邊不齊、深度不均、邊緣掛渣等問題，影響加工質(zhì)量。勻化光斑在激光劃槽中具顯著優(yōu)勢。它能確保能量密度一致，減少劃槽深度和寬度不均的問題；同時，通過均勻能量分布，減少邊緣缺陷和微裂紋，降低機(jī)械應(yīng)力，提升硅片的強(qiáng)度和可靠性。

圖7 平頂勻化DOE在太陽能電池領(lǐng)域的應(yīng)用

2. 半導(dǎo)體：晶圓鍵合與解鍵合、Low-k晶圓開槽、均勻照明等

常用的晶圓切割方式包括砂輪（或刀輪）切割、激光燒蝕切割、激光隱形切割等，其中激光切割的應(yīng)用越來越廣泛。激光切割也分為激光半切、激光全切、激光隱形切等工藝，激光開槽與砂輪切割結(jié)合的方式屬于激光半切的一種類型。在切割質(zhì)量方面，相比僅采用砂輪切割，激光開槽與砂輪切割結(jié)合的方式能夠有效控制晶圓切割的正崩，提升加工質(zhì)量，同時可將砂輪切割的速度提升 2~3 倍，從而大大提高加工效率。

圖8 平頂勻化DOE在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用

DOE使用注意事項與調(diào)試指南案例

1. DOE在使用過程中的注意事項

1. 激光器波長與DOE設(shè)計波長必須匹配，最差不要超過±5m；

2. 激光器光束質(zhì)量需M2＜1.3，越接近1整形效果質(zhì)量越好；

3. 進(jìn)入DOE的激光束必須是準(zhǔn)直光束；

4. DOE必須裝在X/Y可調(diào)的安裝架上，以保證入射光束與DOE同軸；

5. 液晶DOE不可用在藍(lán)光與紫光激光下，液晶分子會失效。刻蝕DOE無影響；

2. DOE使用調(diào)試指南（后附調(diào)試光斑現(xiàn)象仿真參考圖）

案例說明：你在調(diào)試一套勻化DOE的激光加工系統(tǒng)，加工系統(tǒng)如下圖所示，那么你的操作步驟如下：

探測儀器：光束質(zhì)量分析儀

圖9 平頂勻化DOE在激光加工光路中（LBTEK）

Step1: 不裝DOE，首先調(diào)節(jié)擴(kuò)束鏡的發(fā)散角，使光束焦點打在工作面上（強(qiáng)烈建議使用光斑分析儀觀察，不然只能通過點看火花粗布判斷）。判定標(biāo)準(zhǔn)：光斑尺寸最小，火花最亮；

Step2: 調(diào)節(jié)放大倍率，擴(kuò)束后的準(zhǔn)直光斑尺寸與DOE設(shè)計時提要求的光斑尺寸盡可能一致。（可通過聚焦光斑尺寸計算，計算公式參考公眾號前幾篇文章）

Step3: 裝入帶有X/Y+旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)的DOE鏡架（如下圖）

圖10 一種X/Y+旋轉(zhuǎn)功能的鏡架（LBTEK）

Step4: 分別調(diào)節(jié)X/Y旋鈕，同時觀察聚焦光斑形態(tài)，直至光斑形態(tài)略有方形，并對稱。若此時光斑不方，有點枕形或者桶形，則可能是入射光斑偏大或者偏??；

Step5：根據(jù)光斑形態(tài)，適當(dāng)調(diào)節(jié)擴(kuò)束鏡放大倍數(shù)（需要配合調(diào)節(jié)發(fā)散角，因為倍數(shù)調(diào)節(jié)變了發(fā)散角旋鈕也需要對應(yīng)改變），觀察光斑變化情況，同時輔以X/Y調(diào)節(jié)直至光斑達(dá)到當(dāng)前可調(diào)節(jié)的最優(yōu)形態(tài)；

Step6: 重復(fù)3-4步驟，直至光斑形態(tài)方正，邊緣銳利，能量分布均勻即可；

Step7: 鎖死調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。

3個核心：入射光束尺寸要與設(shè)計值一致、光束要準(zhǔn)直、DOE與入射光束要同心

常見調(diào)不好的原因：

1. 激光器光束質(zhì)量差，導(dǎo)致勻化程度或者光斑形態(tài)不理想，調(diào)不好；

2. 入射光束尺寸偏大或者偏??；

3. 離焦，光斑位置不在焦面上；

4. DOE存在質(zhì)量問題；

5. 激光器在不同功率下光束質(zhì)量不一致（例如有些激光器低功率下光束質(zhì)量較差，需要開到50%以上或者滿功率光束質(zhì)量才能滿足標(biāo)稱需求）

附錄：不同調(diào)試條件對勻化光斑的影響

① 波長偏離設(shè)計影響：波長偏離設(shè)計主要體現(xiàn)在液晶聚合物薄膜的鍍膜延遲量誤差，影響聚合物勻化DOE的衍射效率，過大的偏離誤差會導(dǎo)致出射光斑零級過強(qiáng)而不均勻（零級就是未被DOE調(diào)制產(chǎn)生衍射角度的光束，準(zhǔn)直入射DOE后準(zhǔn)直輸出，這部分占比整個光束能量極小，但因為是準(zhǔn)直光束，會被聚焦鏡聚焦成一個小焦點，能量密度較大。一般只有液晶DOE會存在這種現(xiàn)象，需要特別注意。表現(xiàn)為勻化光斑中心出現(xiàn)一個亮點）

②  X/Y偏心影響：X/Y偏心主要體現(xiàn)為入射光斑未通過DOE通光孔徑中心，影響衍射光斑的均勻度，偏心嚴(yán)重會導(dǎo)致出射光斑光強(qiáng)分布不均勻。

圖11 勻化光斑隨入射光斑X/Y方向偏移變化

③  輸入光束直徑：入射光斑大小需要與設(shè)計光斑尺寸符合，相差大會導(dǎo)致出射光斑四周光強(qiáng)過大或過小，影響最終勻化整形效果。

圖12 焦面衍射強(qiáng)度隨入射光斑半徑w變化

④入射光傾斜：入射光斑傾斜會導(dǎo)致入射光經(jīng)過的液晶聚合物膜層厚度增加，使延遲量發(fā)生變化從而影響衍射效率；入射光傾斜也會導(dǎo)致入射光經(jīng)過DOE時出現(xiàn)偏心而影響出射光斑均勻度。

⑤ 離焦影響：經(jīng)過設(shè)計的聚合物勻化DOE，只能在設(shè)計焦面上產(chǎn)生預(yù)期的勻化整形光斑，若偏離焦面會導(dǎo)致出射光斑強(qiáng)度分布不均勻。

圖13 焦面衍射強(qiáng)度隨工作距離z變化

總結(jié)

總的來說，本篇文章大致介紹了一下平頂勻化DOE鏡片的原理與應(yīng)用，大部分的篇幅都在介紹它的相關(guān)特性，旨在讓更多的朋友更深入的了解勻化DOE，更好的使用DOE，讓它發(fā)揮出應(yīng)有的價值，也為大家節(jié)省調(diào)試與研究的時間。

在寫這個類目內(nèi)容是時候，結(jié)合了很多以往經(jīng)驗，也梳理了很多相關(guān)產(chǎn)品，感覺很驚喜的是LBTEK的DOE衍射光學(xué)元件，技術(shù)確實很扎實。自主研發(fā)的光束勻化、整形方案都挺穩(wěn)定的，在激光加工、3D打印、精密檢測這些場景很實用。上周在慕尼黑光博會，還有朋友現(xiàn)場看了DOE勻化效果，國產(chǎn)光學(xué)真的越來越穩(wěn)了。

隨著激光加工的方式越來越成熟，我們能夠在效率與總質(zhì)量上突破的可選擇性越來越少，光束整形是為數(shù)不多的重要途徑之一了！不管是鋰電、半導(dǎo)體、光伏還是3D打印，大家都在擁抱光束整形帶來的變化，而DOE這種簡單、高效的整形方式無疑會成為未來光束整形眾多方式中的絕對主流。（本文來自微信公眾號“光啟航”）

武漢新特光電作為以色列Holo/Or在中國的授權(quán)官方合作伙伴，同時也是國產(chǎn)品牌LBTEK（麓邦）的戰(zhàn)略合作伙伴，能夠同時提供這兩大品牌的衍射光學(xué)元件（DOE）。在光場調(diào)控領(lǐng)域，無論是面向激光加工、3C電子、新能源電池加工、顯示及光學(xué)實驗系統(tǒng)等行業(yè)，還是針對光束整形、分束、平頂光轉(zhuǎn)換等具體應(yīng)用，我們均可提供極具競爭力的光學(xué)解決方案，充分滿足科研及工業(yè)客戶多樣化的實驗與生產(chǎn)需求。了解產(chǎn)品詳情請查閱：https://www.sinteclaser.com/optical/beam-shaping.html和https://www.sinteclaser.com/optical/micro-optics.html

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