技术探讨 | 衍射光学光束整形技术

技术领域：光学工程；

潜在的应用领域：包括激光制造以及结构光照明等多种需要光束整形（垂轴、轴向或三维）领域。

1. 痛点问题

激光广泛应用在制造、传感、医疗、科研、军事等诸多领域。对不同应用，除功率、波长、模式等有不同要求外，对激光光斑形状也逐渐提出整形要求，以适应性能不断提高的制造、传感等需求。例如在激光焊接、激光退火、激光剥离等需要圆形、矩形（方形）、线形且平顶分布的光斑；在激光打孔、激光切割等需要轴向多焦点、长焦深分布的光斑；在激光热负荷模拟或激光热处理中，需要特定形状和光强分布的光斑以匹配复杂零件并模拟实际工况等。

衍射光学是实现光束整形的重要技术手段，但在国内尚未广泛应用，例如在激光制造领域，大多系统直接利用激光聚焦光斑，少部分利用微透镜阵列、微柱镜阵列等折反射器件进行光束整形，但这种方案所能实现的光束整形通常是产生圆形、方形或矩形光斑，不能实现任意形状的光斑。此外，整形光斑边缘较为平缓不够陡峭，平顶性能不够好，存在较大的光强起伏；受限于设计与制造，按照传统方法设计，衍射光学整形光斑尺寸受限，通常包含大量散斑，且存在明显的中心零级等，或者减小线宽至数个波长以产生大角度光束整形光斑，但数个波长的线宽无法利用国产设备进行制造。

2. 解决方案

本成果的衍射光学器件（DOE），是基于光的标量衍射理论，利用计算机辅助设计、并用大规模集成电路制作工艺，在基片上(或传统光学器件表面)刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕结构，形成纯位相、同轴再现、具有高衍射效率的一类光学器件。利用衍射光学器件已实现了诸多功能，包括光束整形、点阵产生（包括大角度、超分辨等）、长焦深（包括中空、轴上多焦点）等，为激光制造、三维测量、超分辨显微成像、流式细胞仪等系统提供新颖解决方案。创新性地采用球面波入射（或折衍混合）、特定振幅相位约束等方法，扩大了有效衍射场，对入射波前畸变、加工误差不敏感；抑制了散斑，提高了光束整形性能，提升了数字全息显示的分辨率；实现了大角度任意点阵、白光点阵等；实现了不同排列形状的超分辨点阵；实现了多种长焦深、中空长焦深、轴上多焦点等轴向光场分布。

高斯光束入射，束腰半径3mm，器件半径10mm，均方根误差0.4%、效率94.3%

3. 竞争优势分析

以色列Holoor是全球第一家提供商用衍射光学器件的企业，成立于1989年，经过二十余年的发展，Holoor以提供商业用途的DOE实现对激光能量分布的各种调制，例如激光分束、激光聚焦、激光采样、激光整形、平顶光斑、轴向多焦点、长焦深、匀光扩散、双波长等各种对激光能量分布的控制，理论上可以生成任意激光图形。

国内已有不少公司从事衍射光学器件的研制及系统应用，但主要专注于器件加工、或者主要专注于人脸识别、AR等领域，且在设计时，通常采用商用软件进行设计，功能较为局限，性能不够优良，在大角度光束整形、散斑抑制、非激光光源光束整形等方面尚未见报导。

本成果在以下三个方面具有竞争优势：

1）获得更好的衍射光学光束整形性能；

2）利用球面波或其他非准直光束入射，可实现大角度（同等传输距离的大尺寸）光束整形；

3）利用白光LED或其他宽光谱光源，实现光束整形。

4. 市场应用前景

近年来高端激光制造市场在国内以30%的同比增长幅度在递增，国家政策、发展规划和项目指南均强调重点支持作为高端制造领域的激光产业发展，为产业持续快速发展提供了广阔的产业政策空间和良好机遇。2021年中国激光设备产量约为20.19万台，还有很大增长空间。

5. 发展规划

初期阶段聚焦于激光制造光束整形，第一步是基于本项成果开发器件和模组，目标客户包括国内激光加工设备公司等；第二步是系统集成，目标客户包括OLED柔性屏面板制作公司等。在后续发展过程中将持续不断地与消费电子领域的公司接触，力争有所切入。

6. 知识产权情况

本项成果已申请6项专利。

以专利许可、技术转让、技术入股等方式进行合作，特别是具有国内高端激光制造设备公司相关资源的优先考虑，确定应用场景，研制衍射光学光束整形器件、模组和系统。

科研团队长期从事衍射光学研究，在衍射光学器件的理论分析、优化设计与性能评价，以及光束整形、点阵产生、复杂波前恢复、面形检测、衍射超分辨、分色、长焦深等系统应用开展了全面深入的研究工作，出版专著1本和译著1本。