科普简介|DOE简介

在现代光学技术的发展中，衍射光学元器件（Diffractive Optical Elements，简称DOE）逐渐成为一个备受关注的领域。它们通过利用光的衍射现象，以微米级别甚至纳米级别（例如超表面）的精度操控光波，实现了许多传统光学元件无法达到的功能。例如，DOE能够将单束激光分成多束，用于光通信中的多路信号传输[1]。与传统的折射和反射光学元件相比，DOE具有设计灵活、体积小巧和重量轻等优势，广泛应用于光通信、激光加工、光学测量、成像系统和消费电子等多个领域。这篇科普文章将简要介绍衍射光学元器件的定义简介、常见的加工方法以及多样的实际应用。

定义简介

衍射光学元器件（Diffractive Optical Elements，简称DOE）是一种利用光的衍射现象来操控光波的光学元件。衍射是光波遇到障碍物或狭缝时发生弯曲和干涉的现象，而DOE正是通过在其表面设计和刻蚀精密的微米级甚至纳米级结构，来改变光的传播路径和相位[3]。与传统光学元件通过折射和反射来操控光线不同，DOE通过衍射效应实现更复杂的光学功能。

DOE的基本原理涉及光的相互干涉和衍射效应。通过设计特定的图案或者微结构，DOE可以精确改变透过光的光程从而达到控制光波的相位和振幅的目的。这些图案通常由高精度的光刻或电子束刻蚀技术在材料表面上形成[4][5]。当光波通过这些结构时，会发生衍射和干涉，从而改变光波的传播方向和强度。这种方法不仅可以实现单一光束的分束、合束和聚焦，还可以生成复杂的光学图案和全息图像[6]。

光经过DOE之后由衍射和干涉形成各种各样图案示意图

DOE的设计和制作需要精确的数学建模和高精度的加工技术。通过优化衍射结构的几何形状和排列，可以实现多种复杂的光学功能。例如，通过在光纤轴向上设计并加工周期性结构，可用于选择性地反射或透射特定波长的光，从而实现波长选择功能[7]，例如基于多层介质的分布布拉格反射镜（Distributed Bragg Reflectors, DBRs），这些结构通过调节各层的厚度和折射率来选择性反射特定波长的光波[8]。此外，通过非周期性结构还可以实现宽光谱的光学滤波功能，这些特性使得DOE在许多高精度和高要求的光学应用中发挥重要作用[9]。

加工方法

在本文中，我们主要介绍DOE中的加工部分，这与Astra Optics的加工技术相匹配。其中，制作衍射光学元器件（DOE）需要高度精密的加工技术，以确保其微米级甚至纳米级的结构精度。以下是几种常见的加工方法，每种方法都有其独特的优点和缺点[9-19]：

 

1.光刻技术

光刻技术（Photolithography）是利用光敏材料和光掩模，通过曝光和显影来制作微米或纳米级别的结构。首先，在基底上涂覆一层光刻胶，然后通过光掩模将图案转移到光刻胶上，再经过显影、蚀刻和去除残留光刻胶等步骤，最终得到所需的微结构。

优点：

  • 高分辨率：可以制作亚微米级的精细结构。

  • 高生产效率：适用于大规模生产，尤其在半导体工业中应用广泛。

缺点：

  • 设备成本高：光刻机和掩模制作设备价格昂贵。

  • 制作流程复杂：需要多步骤的曝光、显影、蚀刻和清洗过程。

2.电子束刻蚀

电子束刻蚀（Electron Beam Lithography, EBL）使用聚焦的电子束直接在抗蚀剂上写入图案。电子束刻蚀无需掩模，可以直接在光刻胶上绘制出纳米级的精细图案。然后，通过显影和蚀刻过程将图案转移到基底上。

优点：

  • 超高分辨率：可以达到纳米级别的分辨率。

  • 精确控制：适合制作极其复杂和精细的结构。

缺点：

  • 速度慢：相比光刻，电子束刻蚀的写入速度较慢，不适合大规模生产。

  • 成本高：电子束设备昂贵，且操作复杂。

3. 激光直写

激光直写（Laser Direct Writing）通过激光束直接在材料表面刻蚀，形成所需的图案。这种方法灵活性高，可以快速更改设计，适合原型制作和小批量生产。

优点：

  • 灵活性高：可以快速更改设计，适合原型制作和小批量生产。

  • 无需掩模：避免了掩模制作的成本和时间。

缺点：

  • 分辨率有限：相比电子束刻蚀，激光直写的分辨率较低。

  • 速度适中：比光刻慢，但比电子束刻蚀快。

4. 纳米压印技术

纳米压印技术（Nanoimprint Lithography, NIL）利用模具在材料表面压印出微纳结构。首先制作高精度模具，然后在材料表面施加压力和热量，将模具上的图案转移到材料表面。

优点：

  • 高分辨率：可以达到纳米级别的分辨率。

  • 低成本：相对其他高分辨率技术，设备和运行成本较低。

缺点：

  • 模具制作复杂：高精度模具制作需要高成本和精细工艺。

  • 适用性有限：适用于大规模生产，但不适合快速原型制作。

5. 离子束刻蚀

离子束刻蚀（Ion Beam Etching, IBE）利用高能离子束在材料表面进行刻蚀。离子束刻蚀可以精确控制蚀刻深度和图案，并且适用于多种材料，包括金属和半导体。

优点：

  • 高精度：适合制作高精度和高纵横比的结构。

  • 材料多样性：可以处理多种材料，包括硬质材料。

缺点：

  • 成本高：设备和操作成本较高。

  • 速度慢：处理速度较慢，不适合大规模生产。

应用

衍射光学元器件（Diffractive Optical Elements, DOE）在多个领域有着广泛的应用。以下是五个具有代表性的应用，这里将简单介绍并说明DOE在这些应用中如何发挥作用。

1. 光通信

在光纤通信系统中，DOE被用来实现光束的分束和合束，从而提高通信效率。DOE可以将单束激光分成多束光，以实现多路信号的传输。这种方法提高了光通信系统的容量和数据传输速率。此外，DOE还可以用于波长分复用（WDM）系统，通过选择性地反射或透射特定波长的光来实现多路信号的合并和分离。

应用例子：

  • NKT Photonics：提供用于光通信系统的DOE产品[20]

  • OptoSigma：生产用于光通信的衍射光学元件[21]

2. 激光加工

DOE在激光加工中用于整形和分束激光光束，从而提高加工精度和效率。例如，在激光切割和焊接中，DOE可以将单束激光分成多个小束，提高加工的均匀性和速度。此外，DOE还可以用于激光微加工，通过聚焦激光束到极小的点上，实现高精度的材料去除和加工。

应用例子：

  • Coherent Inc.：提供用于激光加工的DOE产品[22]

  • Jenoptik：生产用于工业激光加工的衍射光学元件[23]

3. 光学测量

在光学测量技术中，DOE用于提高测量精度和分辨率。例如，在光学相干断层扫描（OCT）和干涉测量中，DOE可以用于光束整形和分束，从而提高成像的清晰度和测量的准确性。通过优化DOE的设计，可以在测量系统中实现高分辨率的光学干涉和相位测量。

应用例子：

  • Thorlabs：提供用于光学测量的DOE产品[24]

  • Zygo Corporation：生产用于高精度光学测量的衍射光学元件[25]

4. 成像系统

在显微镜和天文望远镜等成像系统中，DOE用于校正像差和提高成像质量。通过设计特定的DOE，可以实现对不同波长的光的精确控制，从而减少色差和像差。此外，DOE还可以用于多光谱和超光谱成像，通过分光和滤波实现对不同波段的光的独立成像。

应用例子：

  • Olympus：提供用于显微镜成像系统的DOE产品[26]

  • Zeiss：生产用于高端成像系统的衍射光学元件[27]

5. 消费电子

在虚拟现实（VR）和增强现实（AR）设备中，DOE用于生成全息图像和光场显示，提高视觉效果。通过利用DOE的光波操控能力，可以实现高分辨率的全息显示和立体成像，从而提升用户体验。此外，DOE还可以用于光学传感器中，提高传感精度和灵敏度。

应用例子：

  • Magic Leap：使用DOE技术开发增强现实设备[28]

  • Microsoft HoloLens：集成DOE技术的增强现实头戴设备[29]

总结

衍射光学元器件（DOE）作为一种新型的光学元件，通过精确设计和加工微结构，实现了对光波的高度控制。本文介绍了DOE的定义简介、常见的加工方法以及其具有代表性的应用领域——从光通信到激光加工，再到光学测量和成像系统，DOE展现出了其广阔的应用前景。随着加工技术的不断进步和应用需求的增加，DOE在未来的光学领域中将发挥重要的作用。

参考文献

  1. Klein, W., & Furtak, T. E. (1986). Optics. John Wiley & Sons.

  2. Born, M., & Wolf, E. (1999). Principles of Optics: Electromagnetic Theory of Propagation, Interference and Diffraction of Light. Cambridge University Press.

  3. Goodman, J. W. (2005). Introduction to Fourier Optics. Roberts and Company Publishers.

  4. Brooker, G. (2003). Modern Classical Optics. Oxford University Press.

  5. Peters, F. H., et al. (1997). “Fabrication of diffractive optical elements using electron beam lithography.” Journal of Micromechanics and Microengineering, 7(2), 111-114.

  6. Grob, M., et al. (2008). “Laser direct writing of diffractive optical elements for medical applications.” Applied Surface Science, 255(10), 2631-2635.

  7. Hecht, E. (2002). Optics. Addison-Wesley.

  8. Coldren, L. A., Corzine, S. W., & Mashanovitch, M. L. (2012). Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits. John Wiley & Sons.

  9. Haus, H. A. (1984). Waves and Fields in Optoelectronics. Prentice-Hall.

  10. Madou, M. J. (2002). Fundamentals of Microfabrication: The Science of Miniaturization. CRC Press.

  11. Jaeger, R. C. (2002). Introduction to Microelectronic Fabrication. Prentice Hall.

  12. Tseng, A. A. (2004). “Recent developments in micromilling using focused ion beam technology.” Journal of Micromechanics and Microengineering, 14(4), R15-R34.

  13. McCord, M. A., & Rooks, M. J. (1997). “Electron beam lithography.” In Handbook of Microlithography, Micromachining, and Microfabrication (Vol. 1, pp. 139-249). SPIE Press.

  14. Maruo, S., & Fourkas, J. T. (2008). “Recent progress in multiphoton microfabrication.” Laser & Photonics Reviews, 2(1-2), 100-111.

  15. Kawata, S., Sun, H. B., Tanaka, T., & Takada, K. (2001). “Finer features for functional microdevices.” Nature, 412(6848), 697-698.

  16. Chou, S. Y., Krauss, P. R., & Renstrom, P. J. (1996). “Nanoimprint lithography.” Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena, 14(6), 4129-4133.

  17. Guo, L. J. (2007). “Nanoimprint lithography: Methods and material requirements.” Advanced Materials, 19(4), 495-513.

  18. Harriott, L. R. (1995). “SCALPEL: A projection electron beam lithography tool.” Proceedings of the IEEE, 83(10), 1305-1321.

  19. Leung, K. N. (1998). “Ion beam applications in the microelectronics industry.” Review of Scientific Instruments, 69(3), 1335-1360.

  20. Diffractive Optical Elements: https://www.nktphotonics.com/solutions/applications/diffractive-optical-elements/

  21. Diffractive Optics: https://www.optosigma.com/products/optics/diffractive-optics/

  22. Beam Shaping DOE: https://www.coherent.com/lasers/laser-beam-shaping-diffractive-optical-elements

  23. Diffractive Optical Elements for Beam Shaping: https://www.jenoptik.com/products/optical-systems/diffractive-optical-elements

  24. Diffractive Optical Elements: https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=10373

  25. Diffractive Optics: https://www.zygo.com/?/products/optics/diffractive-optics

  26. Diffractive Optical Elements: https://www.olympus-lifescience.com/en/products/diffractive-optical-elements/

  27. Diffractive Optical Elements: https://www.zeiss.com/microscopy/us/products/diffractive-optical-elements.html


  28.

    Magic Leap 1: https://www.magicleap.com/magic-leap-1

  29. Microsoft HoloLens 2: https://www.microsoft.com/en-us/hololens

 

图a呈现的是传统的双光子激发技术。在这种技术中，一束超短脉冲被空间聚焦至单一焦点，从而在该点产生高峰值光强。然而，当这个脉冲穿过某些样品（比如光刻胶）时，其持续时间几乎保持不变。如果光强足够强，那么在焦点上下的区域可能会发生光固化。转向图b，它展示了时域聚焦对时间脉冲宽度Δt和空间上光斑面积的影响。首先，我们可以看到焦面附近的光斑照亮面积比空间聚焦方式的光斑大小要大数个数量级，这就是所谓的面激发。其次，当脉冲在样品中传播时，脉冲宽度会展宽，只有在焦平面处才能达到峰值，而在焦面前后，脉冲都会被拉伸。这导致此时的激光脉冲宽度并非最窄，因此无法实现双光子激发，这极大地提高了在轴向上打印的精度。

技术实现

最初，时域聚焦技术的实现是通过使用光栅来分离飞秒激光的光谱，接着通过一个4-f系统将光栅与物镜的后焦面实施共轭，从而将光栅投影至样品面。然而，这种方法的光栅是静态的，无法实现图案的动态切换，因此最初的提出仅限于双光子成像领域，只可用于实现快速的面激发双光子成像。

随后，香港中文大学陈世祈教授团队对该技术进行了进一步探索和改进，他们首创性地将数字微阵列器件（Digital Micro-mirror Device, DMD）融入时域聚焦系统中。由于DMD本身就是一种二维光栅元器件，因此它对飞秒光的影响与光栅类似，存在色散作用。更为重要的是，DMD还可以作为一个动态可编程器件，实现多样化图案的投影，其主要的光路示意图如下图所示。

陈世祈教授团队在推进新方案的过程中，主要面临的挑战是飞秒激光的稳定性控制以及严苛的环境管理。高能激光的操作需要严格的环境条件控制，任何微小的偏差或不稳定都可能导致打印过程中出现错误，甚至可能导致打印结果的失败。为了解决这个问题，他们利用了一系列高精度设备，例如高精度位移平台，严格的实验室环境，以及规范的后期处理流程，使得高精度打印成为可能。

另一方面，飞秒激光的色散控制也是一个重要的挑战。在打印过程中，如果不能有效地控制色散，将直接影响到打印的分辨率。为了解决这个问题，陈世祈教授团队的成员们通过大量的实验和仿真模拟，优化并完善了整个系统，实现了基于时域聚焦原理的打印过程。这一创新性的成果在2019年发表于《科学》杂志上，得到了广泛的认可和多项荣誉。

以下是基于该系统打印的一些最新实验结果图，可以看出，在运用该项技术进行打印的时候，在提高打印速度的同时，不牺牲打印的分辨率，其相比同样的商业打印系统而言，具有极强的竞争优势。

结语

飞秒激光时空域聚焦技术，起源于双光子荧光成像领域，已经逐步应用到3D纳米加工技术中，并且仍在不断研究和进步中。该项技术相比于传统的点激发技术来说，它可以实现整个面激发。同时，该项技术在陈世祈教授团队的不断改进和创新之下，可以实现可定制化的快速3D结构成型。这种技术方案的广泛适用性和其能极大提高打印速度的优势，同时保持打印分辨率，让我们对未来这项技术的广泛应用寄予厚望。

参考资料

[1] Zhu, Guanghao, et al. “Simultaneous spatial and temporal focusing of femtosecond pulses.” Optics express 13.6 (2005): 2153-2159.

[2] Oron, Dan, Eran Tal, and Yaron Silberberg. “Scanningless depth-resolved microscopy.” Optics express 13.5 (2005): 1468-1476.

[3] S.K. Saha, D. Wang, V.H. Nguyen, Y. Chang, J.S. Oakdale, S. Chen, “Scalable Submicrometer Additive Manufacturing,” Science, Vol. 366, No. 6461, pp. 105-109, 2019.

[4] Sugioka K, Cheng Y. Ultrafast lasers—reliable tools for advanced materials processing[J]. Light: Science & Applications, 2014, 3(4): e149-e149.

[5] Gansel, Justyna K., et al. “Gold helix photonic metamaterial as broadband circular polarizer.” science 325.5947 (2009): 1513-1515. 

[6] Watanabe, Wataru, et al. “Wavelength division with three-dimensional couplers fabricated by filamentation of femtosecond laser pulses.” Optics letters 28.24 (2003): 2491-2493. 

[7] Skryabin, N. N., et al. “Two-qubit quantum photonic processor manufactured by femtosecond laser writing.” Applied Physics Letters 122.12 (2023).

[8] Piacentini, Simone, et al. “Advanced photonic and optofluidic devices fabricated in glass via femtosecond laser micromachining.” Optical Materials Express 12.10 (2022): 3930-3945.

[9] Lyu W, An J, Lin Y, et al. Fabrication and applications of heterostructure materials for broadband ultrafast photonics[J]. Advanced Optical Materials, 2023, 11(12): 2300124.

[10] Liu H, Lin W, Hong M. Hybrid laser precision engineering of transparent hard materials: challenges, solutions and applications[J]. Light: Science & Applications, 2021, 10(1): 162.

[11] Han, Fei, et al. “Three-dimensional nanofabrication via ultrafast laser patterning and kinetically regulated material assembly.” Science 378.6626 (2022): 1325-1331.

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