在現代光學技術的發展中，繞射光學元器件（Diffractive Optical Elements，簡稱DOE）逐漸成為一個備受關注的領域。它們透過利用光的繞射現象，以微米級甚至奈米級（例如超表面）的精度操控光波，實現了許多傳統光學元件無法達到的功能。例如，DOE能夠將單束雷射分成多束，用於光通訊中的多路訊號傳輸[1]。與傳統的折射和反射光學元件相比，DOE具有設計靈活、體積小巧和重量輕等優勢，廣泛應用於光通訊、雷射加工、光學測量、成像系統和消費電子等多個領域。這篇科普文章將簡要介紹繞射光學元器件的定義簡介、常見的加工方法以及多樣的實際應用。
定義簡介
繞射光學元器件（Diffractive Optical Elements，簡稱DOE）是一種利用光的繞射現象來操控光波的光學元件。繞射是光波遇到障礙物或狹縫時發生彎曲和干涉的現象，而DOE正是透過在其表面設計和刻蝕精密的微米級甚至奈米級結構，來改變光的傳播路徑和相位[3]。與傳統光學元件透過折射和反射來操控光線不同，DOE透過繞射效應實現更複雜的光學功能。
DOE的基本原理涉及光的相互干涉和繞射效應。透過設計特定的圖案或微結構，DOE可以精確改變透過光的光程，從而達到控制光波相位和振幅的目的。這些圖案通常由高精度的光刻或電子束刻蝕技術在材料表面上形成[4][5]。當光波通過這些結構時，會發生繞射和干涉，從而改變光波的傳播方向和強度。這種方法不僅可以實現單一光束的分束、合束和聚焦，還可以生成複雜的光學圖案和全息影像[6]。
光經過DOE之後由繞射和干涉形成各種各樣圖案示意圖
DOE的設計與製作需要精確的數學建模和高精度的加工技術。透過優化繞射結構的幾何形狀和排列，可以實現多種複雜的光學功能。例如，透過在光纖軸向上設計並加工週期性結構，可用於選擇性地反射或透射特定波長的光，從而實現波長選擇功能[7]。例如基於多層介質的分布式布拉格反射鏡（Distributed Bragg Reflectors, DBRs），這些結構透過調節各層的厚度和折射率來選擇性反射特定波長的光波[8]。此外，透過非週期性結構還可以實現寬光譜的光學濾波功能，這些特性使得DOE在許多高精度和高要求的光學應用中發揮重要作用[9]。
加工方法
在本文中，我們主要介紹DOE中的加工部分，這與Astra Optics的加工技術相匹配。其中，製作繞射光學元器件（DOE）需要高度精密的加工技術，以確保其微米級甚至奈米級的結構精度。以下是幾種常見的加工方法，每種方法都有其獨特的優點和缺點[9-19]：
1. 光刻技術
光刻技術（Photolithography）是利用光敏材料和光罩，透過曝光和顯影來製作微米或奈米級的結構。首先，在基底上塗覆一層光刻膠，然後透過光罩將圖案轉移到光刻膠上，再經過顯影、蝕刻和去除殘留光刻膠等步驟，最終得到所需的微結構。
優點：
高解析度：可以製作亞微米級的精細結構。
高生產效率：適用於大規模生產，尤其在半導體工業中應用廣泛。
缺點：
設備成本高：光刻機和光罩製作設備價格昂貴。
製作流程複雜：需要多步驟的曝光、顯影、蝕刻和清洗過程。
2. 電子束刻蝕
電子束刻蝕（Electron Beam Lithography, EBL）使用聚焦的電子束直接在抗蝕劑上寫入圖案。電子束刻蝕無需光罩，可以直接在光刻膠上繪製出奈米級的精細圖案。然後，透過顯影和蝕刻過程將圖案轉移到基底上。
優點：
超高解析度：可以達到奈米級別的解析度。
精確控制：適合製作極其複雜和精細的結構。
缺點：
速度慢：相比光刻，電子束刻蝕的寫入速度較慢，不適合大規模生產。
成本高：電子束設備昂貴，且操作複雜。
3. 雷射直寫
雷射直寫（Laser Direct Writing）透過雷射束直接在材料表面刻蝕，形成所需的圖案。這種方法靈活性高，可以快速更改設計，適合原型製作和小批量生產。
優點：
靈活性高：可以快速更改設計，適合原型製作和小批量生產。
無需光罩：避免了光罩製作的成本和時間。
缺點：
解析度有限：相比電子束刻蝕，雷射直寫的解析度較低。
速度適中：比光刻慢，但比電子束刻蝕快。
4. 奈米壓印技術
奈米壓印技術（Nanoimprint Lithography, NIL）利用模具在材料表面壓印出微奈米結構。首先製作高精度模具，然後在材料表面施加壓力和熱量，將模具上的圖案轉移到材料表面。
優點：
高解析度：可以達到奈米級別的解析度。
低成本：相對其他高解析度技術，設備和運行成本較低。
缺點：
模具製作複雜：高精度模具製作需要高成本和精細工藝。
適用性有限：適用於大規模生產，但不適合快速原型製作。
5. 離子束刻蝕
離子束刻蝕（Ion Beam Etching, IBE）利用高能離子束在材料表面進行刻蝕。離子束刻蝕可以精確控制蝕刻深度和圖案，並且適用於多種材料，包括金屬和半導體。
優點：
高精度：適合製作高精度和高縱橫比的結構。
材料多樣性：可以處理多種材料，包括硬質材料。
缺點：
成本高：設備和操作成本較高。
速度慢：處理速度較慢，不適合大規模生產。
應用
衍射光學元器件（Diffractive Optical Elements, DOE）在多個領域有著廣泛的應用。以下是五個具有代表性的應用，這裡將簡單介紹並說明DOE在這些應用中如何發揮作用。
光通信
在光纖通信系統中，DOE被用來實現光束的分束和合束，從而提高通信效率。DOE可以將單束激光分成多束光，以實現多路信號的傳輸。這種方法提高了光通信系統的容量和數據傳輸速率。此外，DOE還可以用於波長分復用（WDM）系統，通過選擇性地反射或透射特定波長的光來實現多路信號的合併和分離。
應用例子：
NKT Photonics：提供用於光通信系統的DOE產品[20]
OptoSigma：生產用於光通信的衍射光學元器件[21]
- 激光加工
DOE在激光加工中用於整形和分束激光光束，從而提高加工精度和效率。例如，在激光切割和焊接中，DOE可以將單束激光分成多個小束，提高加工的均勻性和速度。此外，DOE還可以用於激光微加工，通過聚焦激光束到極小的點上，實現高精度的材料去除和加工。
應用例子：
Coherent Inc.：提供用於激光加工的DOE產品[22]
Jenoptik：生產用於工業激光加工的衍射光學元器件[23]
- 光學測量
在光學測量技術中，DOE用於提高測量精度和分辨率。例如，在光學相干斷層掃描（OCT）和干涉測量中，DOE可以用於光束整形和分束，從而提高成像的清晰度和測量的準確性。通過優化DOE的設計，可以在測量系統中實現高分辨率的光學干涉和相位測量。
應用例子：
Thorlabs：提供用於光學測量的DOE產品[24]
Zygo Corporation：生產用於高精度光學測量的衍射光學元器件[25]
- 成像系統
在顯微鏡和天文望遠鏡等成像系統中，DOE用於校正像差和提高成像質量。通過設計特定的DOE，可以實現對不同波長的光的精確控制，從而減少色差和像差。此外，DOE還可以用於多光譜和超光譜成像，通過分光和濾波實現對不同波段的光的獨立成像。
應用例子：
Olympus：提供用於顯微鏡成像系統的DOE產品[26]
Zeiss：生產用於高端成像系統的衍射光學元器件[27]
5.消費電子
在虛擬現實（VR）和增強現實（AR）設備中，DOE用於生成全息圖像和光場顯示，提高視覺效果。通過利用DOE的光波操控能力，可以實現高分辨率的全息顯示和立體成像，從而提升用戶體驗。此外，DOE還可以用於光學傳感器中，提高傳感精度和靈敏度。
應用例子：
Magic Leap：使用DOE技術開發增強現實設備[28]
Microsoft HoloLens：集成DOE技術的增強現實頭戴設備[29]
總結
衍射光學元器件（DOE）作為一種新型的光學元器件，通過精確設計和加工微結構，實現了對光波的高度控制。本文介紹了DOE的定義簡介、常見的加工方法以及其具有代表性的應用領域——從光通信到激光加工，再到光學測量和成像系統，DOE展現出了其廣闊的應用前景。隨著加工技術的不斷進步和應用需求的增加，DOE在未來的光學領域中將發揮重要的作用。
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圖a呈現的是傳統的雙光子激發技術。在這種技術中，一束超短脈衝被空間聚焦至單一焦點，從而在該點產生高峰值光強。然而，當這個脈衝穿過某些樣品（比如光刻膠）時，其持續時間幾乎保持不變。如果光強足夠強，那麼在焦點上下的區域可能會發生光固化。轉向圖b，它展示了時域聚焦對時間脈衝寬度Δt和空間上光斑面積的影響。首先，我們可以看到焦面附近的光斑照亮面積比空間聚焦方式的光斑大小要大數個數量級，這就是所謂的面激發。其次，當脈衝在樣品中傳播時，脈衝寬度會展寬，只有在焦平面處才能達到峰值，而在焦面前後，脈衝都會被拉伸。這導致此時的激光脈衝寬度並非最窄，因此無法實現雙光子激發，這極大地提高了在軸向上打印的精度。
技術實現
最初，時域聚焦技術的實現是通過使用光柵來分離飛秒激光的光譜，接著通過一個4-f系統將光柵與物鏡的後焦面實施共軛，從而將光柵投影至樣品面。然而，這種方法的光柵是靜態的，無法實現圖案的動態切換，因此最初的提出僅限於雙光子成像領域，只可用於實現快速的面激發雙光子成像。
隨後，香港中文大學陳世祈教授團隊對該技術進行了進一步探索和改進，他們首創性地將數字微陣列器件（Digital Micro-mirror Device, DMD）融入時域聚焦系統中。由於DMD本身就是一種二維光柵元器件，因此它對飛秒光的影響與光柵類似，存在色散作用。更為重要的是，DMD還可以作為一個動態可編程器件，實現多樣化圖案的投影，其主要的光路示意圖如下圖所示。
陳世祈教授團隊在推進新方案的過程中，主要面臨的挑戰是飛秒激光的穩定性控制以及嚴苛的環境管理。高能激光的操作需要嚴格的環境條件控制，任何微小的偏差或不穩定都可能導致打印過程中出現錯誤，甚至可能導致打印結果的失敗。為了解決這個問題，他們利用了一系列高精度設備，例如高精度位移平台，嚴格的實驗室環境，以及規範的後期處理流程，使得高精度打印成為可能。
另一方面，飛秒激光的色散控制也是一個重要的挑戰。在打印過程中，如果不能有效地控制色散，將直接影響到打印的分辨率。為了解決這個問題，陳世祈教授團隊的成員們通過大量的實驗和仿真模擬，優化並完善了整個系統，實現了基於時域聚焦原理的打印過程。這一創新性的成果在2019年發表於《科學》雜誌上，得到了廣泛的認可和多項榮譽。
以下是基於該系統打印的一些最新實驗結果圖，可以看出，在運用該項技術進行打印的時候，在提高打印速度的同時，不犧牲打印的分辨率，其相比同樣的商業打印系統而言，具有極強的競爭優勢。
結語
飛秒激光時空域聚焦技術，起源於雙光子螢光成像領域，已經逐步應用到3D納米加工技術中，並且仍在不斷研究和進步中。該項技術相比於傳統的點激發技術來說，它可以實現整個面激發。同時，該項技術在陳世祈教授團隊的不斷改進和創新之下，可以實現可定制化的快速3D結構成型。這種技術方案的廣泛適用性和其能極大提高打印速度的優勢，同時保持打印分辨率，讓我們對未來這項技術的廣泛應用寄予厚望。
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