什么是DOE元件？

衍射光学元件（Diffractive Optical Elements, DOE）是一种基于光波衍射原理，通过微纳阶梯结构或者液晶聚合物分子排布对光波前进行精确调控的光学器件。其实现结构分为刻蚀DOE与液晶聚合物DOE。

图1 液晶聚合物DOE实物图

此处以LBTEK麓邦DOE为例，麓邦已经在微纳光子学和光学装备这个领域深耕多年，主要围绕拓扑光子学、超表面位移测量、多焦点微纳加工这些前沿方向，靠着自主的液晶微纳光子学技术，他们还建起了国内第一条能规模化量产的生产线，加上加工设备和成熟工艺，做出来的微纳光学元件在设计灵活度、精度和稳定性上都有保障。

在光束控制上，麓邦有高精度相位板、衍射透镜、分束器等关键器件，能搞定光束匀化、波前整形、能量分配等各种场景需求。尤其是他们自研的匀化型 DOE 元件，用了相位调制和表面浮雕工艺，吸收率低、抗激光损伤能力强，能把高斯光束高效整形得更均匀，特别适合可见光和近红外波段、高能量密度的使用场景。

为什么要用DOE元件做光束整形？

• 体积小，重量轻，光路简单，只需要一片DOE镜片插入光路中即可完成整形需求；（无论是SLM空间光调制器、非球面匀化镜头体积都很大，微透镜阵列只适合做大尺寸的匀化整形且需要多模光入射，匀化光纤需要配套激光器与特制的镜头）

• 极致的设计灵活性（形状 / 分布任意定制）；（可定制方形、矩形、圆形、三角形等多种形状，复杂的图案化、文字化均可）

• 整形精度更高加工效果更好

图2 高斯光斑（左）和匀化光斑（右）加工后表面形貌

综上，选择 DOE 的根本原因：用最小体积、最高效率、最灵活设计，实现最精准光场控制。它是单片元件替代复杂光学组的最优解，尤其适合高功率、高精度、集成化的现代激光系统。

DOE的结构与分类

1.1 石英刻蚀DOE

衍射光学元件（Diffractive Optical Elements, DOE）核心工作原理源于惠更斯-菲涅尔衍射理论：当光波入射至DOE表面时，其表面的微米或亚微米级浮雕结构对不同位置的光引入特定相位延迟，各点作为次波源发出的子波在传播中发生干涉叠加，最终在目标平面形成预设的光强分布，实现光束整形。

DOE的结构通常为在石英、玻璃或聚合物基底上通过电子束刻蚀、激光直写等微纳加工技术制备的周期性或非周期性台阶状、连续浮雕结构。这些结构等效于相位型衍射光栅，通过精确设计每个单元的形状、深度与分布，可调控出射光的相位分布，实现高衍射效率（通常可达85%以上）与低杂散光。

图3 石英刻蚀DOE微结构与工艺流程示意图

（不同高度的台阶，光通过的玻璃厚度不一样，光程不一样就产生了光程差（相位差），这种差异的组合就可以对光束能量分布进行调制了）

1.2 聚合物液晶DOE

液晶衍射光学元件（Liquid Crystal Diffractive Optical Elements, LC-DOE）是一类特殊的衍射光学器件，它结合了液晶材料的电光特性与衍射光学原理。与传统基于固定微纳浮雕结构的熔融石英或二元光学DOE不同，液晶DOE利用液晶分子的排列特性来实现对光波相位的调制。

液晶DOE器件一般为三明治结构，由两层玻璃或石英基板夹一层um级的液晶功能薄膜层组成。制成镜片形式的为固定排列的液晶分子结构，其相位和功能不可改变。

图4 液晶DOE实拍图（偏振片下能观看到相位图案）

图5 液晶DOE匀化效果实测图展示

1.3 两种DOE参数解析对比

图6 液晶与石英匀化DOE参数对比

1.4 DOE特点与使用

① 入射DOE的激光要求

• 激光波长与DOE设计波长一致

• 单模激光入射，M2＜1.3（DOE的整形过程可以看作成一个精密调控转化的过程，入射光的能量分布与整形光斑是一一对应的，入射光束分布越规则，M2越接近1，转换结果越精确，整形效果越好）

• 准直平行光入射

• 功率低于损伤阈值

② 偏振特性

• 液晶DOE：随机偏振

• 刻蚀DOE：无要求

③ 平顶光斑尺寸局限性（与衍射极限尺寸DL相关）

• 液晶DOE：1.5DL-15DL

• 刻蚀DOE：1.5DL-8DL

④ 适用波长相关性：单波长，设计波长±5nm之内，尽可能一致

⑤ 液晶DOE与刻蚀DOE优劣势

液晶DOE：

• 优势：成本更低、制作周期更短、整形精度效果更优（阶数高）、红外激光整形加工不二之选

• 劣势：紫外光失效、高功率（≥2Kw）应用不稳定、对偏振有一定要求

刻蚀DOE：

• 优势：紫外-红外宽波段均可应用、纯石英结构适用高功率应用

• 劣势：成本高、加工周期长、最高16阶（阶数越高、加工难度越高、成本越高，液晶则无太大区别）

平顶匀化DOE的应用介绍

1. 光伏领域-BC刻蚀开膜、TOPCon减薄、Si层激光氧化等

部分太阳能电池采用背接触结构，将所有电极和导电路径置于电池背面，以减少表面阴影遮挡，提高光电转换效率。激光划槽是这一工艺的关键步骤，但传统高斯光斑划槽易出现切边不齐、深度不均、边缘挂渣等问题，影响加工质量。匀化光斑在激光划槽中具显著优势。它能确保能量密度一致，减少划槽深度和宽度不均的问题；同时，通过均匀能量分布，减少边缘缺陷和微裂纹，降低机械应力，提升硅片的强度和可靠性。

图7 平顶匀化DOE在太阳能电池领域的应用

2. 半导体：晶圆键合与解键合、Low-k晶圆开槽、均匀照明等

常用的晶圆切割方式包括砂轮（或刀轮）切割、激光烧蚀切割、激光隐形切割等，其中激光切割的应用越来越广泛。激光切割也分为激光半切、激光全切、激光隐形切等工艺，激光开槽与砂轮切割结合的方式属于激光半切的一种类型。在切割质量方面，相比仅采用砂轮切割，激光开槽与砂轮切割结合的方式能够有效控制晶圆切割的正崩，提升加工质量，同时可将砂轮切割的速度提升 2~3 倍，从而大大提高加工效率。

图8 平顶匀化DOE在半导体领域的应用

DOE使用注意事项与调试指南案例

1. DOE在使用过程中的注意事项

1. 激光器波长与DOE设计波长必须匹配，最差不要超过±5m；

2. 激光器光束质量需M2＜1.3，越接近1整形效果质量越好；

3. 进入DOE的激光束必须是准直光束；

4. DOE必须装在X/Y可调的安装架上，以保证入射光束与DOE同轴；

5. 液晶DOE不可用在蓝光与紫光激光下，液晶分子会失效。刻蚀DOE无影响；

2. DOE使用调试指南（后附调试光斑现象仿真参考图）

案例说明：你在调试一套匀化DOE的激光加工系统，加工系统如下图所示，那么你的操作步骤如下：

探测仪器：光束质量分析仪

图9 平顶匀化DOE在激光加工光路中（LBTEK）

Step1: 不装DOE，首先调节扩束镜的发散角，使光束焦点打在工作面上（强烈建议使用光斑分析仪观察，不然只能通过点看火花粗布判断）。判定标准：光斑尺寸最小，火花最亮；

Step2: 调节放大倍率，扩束后的准直光斑尺寸与DOE设计时提要求的光斑尺寸尽可能一致。（可通过聚焦光斑尺寸计算，计算公式参考公众号前几篇文章）

Step3: 装入带有X/Y+旋转调节的DOE镜架（如下图）

图10 一种X/Y+旋转功能的镜架（LBTEK）

Step4: 分别调节X/Y旋钮，同时观察聚焦光斑形态，直至光斑形态略有方形，并对称。若此时光斑不方，有点枕形或者桶形，则可能是入射光斑偏大或者偏小；

Step5：根据光斑形态，适当调节扩束镜放大倍数（需要配合调节发散角，因为倍数调节变了发散角旋钮也需要对应改变），观察光斑变化情况，同时辅以X/Y调节直至光斑达到当前可调节的最优形态；

Step6: 重复3-4步骤，直至光斑形态方正，边缘锐利，能量分布均匀即可；

Step7: 锁死调节机构。

3个核心：入射光束尺寸要与设计值一致、光束要准直、DOE与入射光束要同心

常见调不好的原因：

1. 激光器光束质量差，导致匀化程度或者光斑形态不理想，调不好；

2. 入射光束尺寸偏大或者偏小；

3. 离焦，光斑位置不在焦面上；

4. DOE存在质量问题；

5. 激光器在不同功率下光束质量不一致（例如有些激光器低功率下光束质量较差，需要开到50%以上或者满功率光束质量才能满足标称需求）

附录：不同调试条件对匀化光斑的影响

① 波长偏离设计影响：波长偏离设计主要体现在液晶聚合物薄膜的镀膜延迟量误差，影响聚合物匀化DOE的衍射效率，过大的偏离误差会导致出射光斑零级过强而不均匀（零级就是未被DOE调制产生衍射角度的光束，准直入射DOE后准直输出，这部分占比整个光束能量极小，但因为是准直光束，会被聚焦镜聚焦成一个小焦点，能量密度较大。一般只有液晶DOE会存在这种现象，需要特别注意。表现为匀化光斑中心出现一个亮点）

②  X/Y偏心影响：X/Y偏心主要体现为入射光斑未通过DOE通光孔径中心，影响衍射光斑的均匀度，偏心严重会导致出射光斑光强分布不均匀。

图11 匀化光斑随入射光斑X/Y方向偏移变化

③  输入光束直径：入射光斑大小需要与设计光斑尺寸符合，相差大会导致出射光斑四周光强过大或过小，影响最终匀化整形效果。

图12 焦面衍射强度随入射光斑半径w变化

④入射光倾斜：入射光斑倾斜会导致入射光经过的液晶聚合物膜层厚度增加，使延迟量发生变化从而影响衍射效率；入射光倾斜也会导致入射光经过DOE时出现偏心而影响出射光斑均匀度。

⑤ 离焦影响：经过设计的聚合物匀化DOE，只能在设计焦面上产生预期的匀化整形光斑，若偏离焦面会导致出射光斑强度分布不均匀。

图13 焦面衍射强度随工作距离z变化

总结

总的来说，本篇文章大致介绍了一下平顶匀化DOE镜片的原理与应用，大部分的篇幅都在介绍它的相关特性，旨在让更多的朋友更深入的了解匀化DOE，更好的使用DOE，让它发挥出应有的价值，也为大家节省调试与研究的时间。

在写这个类目内容是时候，结合了很多以往经验，也梳理了很多相关产品，感觉很惊喜的是LBTEK的DOE衍射光学元件，技术确实很扎实。自主研发的光束匀化、整形方案都挺稳定的，在激光加工、3D打印、精密检测这些场景很实用。上周在慕尼黑光博会，还有朋友现场看了DOE匀化效果，国产光学真的越来越稳了。

随着激光加工的方式越来越成熟，我们能够在效率与总质量上突破的可选择性越来越少，光束整形是为数不多的重要途径之一了！不管是锂电、半导体、光伏还是3D打印，大家都在拥抱光束整形带来的变化，而DOE这种简单、高效的整形方式无疑会成为未来光束整形众多方式中的绝对主流。（本文来自微信公众号“光启航”）

武汉js345金沙城场线路作为以色列Holo/Or在中国的授权官方合作伙伴，同时也是国产品牌LBTEK（麓邦）的战略合作伙伴，能够同时提供这两大品牌的衍射光学元件（DOE）。在光场调控领域，无论是面向激光加工、3C电子、新能源电池加工、显示及光学实验系统等行业，还是针对光束整形、分束、平顶光转换等具体应用，我们均可提供极具竞争力的光学解决方案，充分满足科研及工业客户多样化的实验与生产需求。了解产品详情请查阅：https://www.sinteclaser.com/optical/beam-shaping.html和https://www.sinteclaser.com/optical/micro-optics.html

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