微纳加工 | 衍射光学元件介绍

衍射光学元件（DiffractiveOpticalElement，DOE）是一种特殊的光学元器件，可以使光线以精确的角度θm偏转到m级，并用下列公式表示：

一条与光栅法线成θi角的光线入射在光栅上，将衍射成一个或多个出射角为θdm的光线，θdm是周期Λ的函数。其中，ni是入射介质的折射率；nd是出射介质的折射率；m是衍射级，对于大部分应用，m=1。图1.1还给出了其他不同的衍射级，但没有标出其衍射效率。对于透镜，除了希望使用的衍射级外（通常为m=+1级），令其他衍射级的效率减至最小。

图1.1出射角是光栅周期、折射率和衍射级的函数（图中给出了某些透射级和反射级）

周期是利用光刻技术进行横向控制的参数，可以在技术要求中规定到纳米级。对于小像差透镜，这种对周期横向位置的特殊控制会使DOE成为较理想的零件。例如，透镜的一般应用是将光会聚成一个光斑，可以设计和制造出能够达到衍射受限光斑尺寸的衍射透镜。图1.2所示为一个8阶聚焦透镜，能够将一束每隔2π相位入射的平行光的相前会聚在一起，以保证DOE衍射的光线全部都聚焦到DOE上方、距离为F的中心点上。利用光线追迹程序很容易确定使平行光束聚焦所需要的相前。每一个2π离散相前的位置和距离对应着DOE上各点位置的周期。将这些数值输入到CAD程序中，转换成一系列DOE制造过程中所使用的光刻模板。该工艺比较复杂，但容易理解，所采用的技术也较成熟。

图1.2一个8阶聚焦透镜（每相隔2π相位的准直光束的相前会聚，以保证DOE衍射的所有光束都入射到DOE上方、距离为F的中心点上）