【自有技術大講堂】衍射光學元件DOE介紹

一、  衍射光學元件簡介 

 

衍射光學元件（Diffractive Optical Element，DOE）是近幾年蓬勃發展的新興光學元件。DOE通常采用微納刻蝕工藝構成二維分布的衍射單元，每個衍射單元可以有特定的形貌、折射率等，對激光波前位相分布進行精細調控。激光經過每個衍射單元后發生衍射，并在一定距離（通常為無窮遠或透鏡焦平面）處產生干涉，形成特定的光強分布。

 

圖1：衍射光學元件的 A)使用示意；B)外形示意；C)表面微觀結構示意

 

DOE廣泛應用于許多半導體應用中，主要的波長為紫外和可見光波長。以色列HOLO/ OR的高級UV熔融石英DOE為半導體行業中常見的直寫光刻應用和晶圓計量應用提供了無與倫比的性能穩定性。在這些精確的應用中，由于幾乎絕對的角度精度，出色的熱穩定性和較高的激光損傷閾值，該DOE可提供卓越的性能。

 

Ø  DOE在晶圓檢查方面應用

 

 隨著ITRS2推動半導體行業進一步小型化，對能夠解決此類特征的DUV晶圓檢測系統的需求日益增長。 這些系統要求通過擴散器（用于低相干光源）或光束整形器（用于高相干單模激光源）對光進行整形。 照射通常也以大掠角（> 70度）完成，需要對整形的光學器件進行精心設計，以在晶片表面上實現高度均勻性。

 

 

Holo / Or為晶圓檢測領域提供了一些獨特的解決方案，包括定制的光束整形元件和模塊，這些元件和模塊可以在高掠射角下獲得大角度均勻的形狀。

 

 

Ø  DOE在直接激光光刻方面應用

 

半導體行業中的許多應用都需要多條線的高吞吐量直接激光寫入。 這些包括平板顯示器掩模寫入，太陽能電池板電極寫入和其他多線曝光工藝。 對于這些應用，我們的高質量

 

分束器DOE提供無與倫比的精度和均勻性，消除了線寬變化并提高了通量。

 

 

DOE的優勢主要在于：

 

1) 高效率。精確設計的衍射單元結構可以確保接近100%的激光能量被投射到所需要的圖樣上，效率大大高于掩膜等手段；

 

2) 使用便利。衍射光學元件具備非常小的體積和重量，插入光路中即可使用；大多數情況下可配合標準的透鏡、場鏡、顯微物鏡等使用；

 

3) 靈活性。得益于微納加工技術的長足發展，DOE可以針對不同的激光器或不同的目標光強/位相分布進行訂制。同時，DOE應用的光路結構非常簡單，在使用中搭配不同的透鏡，可實現不同幾何尺寸的光斑。

 

二、衍射光學元件分類及選型

 

根據不同的用途，DOE通?？梢苑譃楣馐?、分束、聚焦等種類，每種品類有不同的原理、設計和應用特點。

 

光束整形

 

光束整形元件是將近高斯入射光轉換成一個在特定平面上的圓形，矩形，正方形，線狀或其它形狀的強度均一的輸出光斑。

 

均勻的輸出光斑可對工作面進行相同的處理，避免特定區域過曝或曝光不足的情況。此外，輸出光斑的特征在于有一個尖銳的過渡區，該過渡區域在已處理和未處理區域之間創建了清晰的邊界。

 

對于單模激光器，可以提供以下光束整形解決方案：

 

焦光束整形：混合元件（透鏡）或模塊，可在特定的工作距離（透鏡的BFL或從模塊的出口位置到頂輸出光平面的距離）上提供頂平頂（帽狀）強度分布。

 

角光束整形：光學元件（窗口），可在任意自定義的無像差鏡頭的無窮遠或焦距處提供平頂（帽狀）強度分布。

 

M形整形器：可在掃描線上均勻曝光的光學元件（窗口）。

 

對于多模激光器，可以提供了多種平頂漫射器，可以成形為圓形，正方形，直線和矩形輸出光斑。還提供3種環形整形器：渦旋透鏡，衍射軸錐和多環形整形器。

 

光束分束切割

 

分束器元件是衍射光學元件，用于將單個激光束分成幾束，每束都具有原始光束的特性（功率和傳播角度除外）。該器件可以直接在平凸透鏡上制造衍射分束器圖案。這將產生一個在特定工作平面上聚焦的多點圖案，點與點之間的距離由客戶自定義。這些點可以排列成直線，矩陣或任何其他自定義形狀，例如六邊形，十字形，圓形，三角形等。除標準分束器外，它還使得光斑的數量及其位置可選，這是其定制設計和制造能力體現的一部分。

 

分束器的特征：任何輸入光束形狀（SM / MM），對XYZ位移不敏感，高功率閾值，準確的分離角以及從紫外到紅外的波長可用。

 

光束聚焦

 

 

光束聚焦產品是DOE或包含DOE的模塊，它們可以控制激光束的聚焦特性。這些類型的元素既可以增加焦點深度（Elongated Focus DOE，DeepCleve），又可以將焦點分為幾個相等的焦點，且焦點數量和分離距離可控（Multi-Focal DOE），或者可將Nd：YAG激光源（355nmm 532nm和1064nm）的不同頻率的諧波全部聚焦在同一平面上（衍射消色差）。

 

一般而言，在選擇使用DOE元件之前需注意以下原則：

 

1) 衍射光學元件產生的光束也不能違背光的傳播規律；其構建的特定光強分布只能在一定景深范圍內存在。因此在使用時，所需的光斑形貌、尺寸、工作距離、景深等有時不可兼得，需要做出權衡；

 

2) 衍射光學元件通常依據激光的波長、光束口徑、光束模式（M2）、近場強度分布來設計，因此在選擇前應較為準確的測量這些參數。使用參數與設計參數不匹配將導致使用效果不佳甚至無法使用；

 

 

3) 衍射光學元件對入射光的角度敏感，需要較好的光路調整精度和穩定性；

 

4) 大部分衍射光學元件對入射激光的波前位相進行精密調控，因此光路中的其他部件如反/透射鏡片，透鏡等要使用高精度、低波差的器件，否則會影響最終的效果；

 

5) 和常規透射光學元件一樣，根據不同的波長、激光強度的要求，衍射光學元件可采用石英、玻璃、寶石、塑料與樹脂、ZnSe等紅外材料制作，也可鍍增透膜。

 

三、光束整形元件

 

光束整形用DOE，可在工作面上實現指定的光斑形狀（正方形、多邊形、長條形、環形及圓形等）及能量分布(如平頂、高斯、環形、M型等）。

 

1) 平頂光束發生器(Top hat generator)

 

平頂分布應用在激光醫美、激光加工、表面處理等多種場景中。平頂光束發生器可將單橫模激光(高斯分布，M2<1.3)變換成為圓形、正方形、長條形等光強均勻、邊緣清晰的分布。

 

圖2：平頂光束發生器的使用及效果圖

 

平頂光束發生器的使用特點：

 

· 適用于單橫模高斯光束，M2 < 1.3；

·平頂發生器放置于高斯光束束腰時效果佳；

· 平頂發生器不能產生尺度小于衍射極限的光斑，通常為1.5倍~5倍衍射極限；

· 平頂發生器在使用時，光學元件要求低波差，同時有效口徑要在入射光束腰直徑的兩倍以上最佳；

· 目標光束形狀及強度分布只能在一定的距離范圍內保持，通常為光斑尺寸的一半；

· 對入射光直徑、入射光中心位置、入射角度等均較為敏感。

 

平頂光束發生器的主要應用：

 

· 激光加工與處理：微孔，鉆孔，焊接，切割，劃線，熔蝕

· 醫學與美容

· 激光顯示

· 打標與印刷

 

2) 光束勻化器 (Optical Diffuser/ Homogenizer)

 

光束勻化器也可產生各種形狀、能量均勻分布（或特定分布）的光斑。與平頂光束發生器將高斯光束變為平頂分布不同，光束勻化器將非均勻、不規則分布的光斑均勻化；平頂光束發生器適合單模（M2<1.3）激光使用，光束勻化器對多模激光的勻化效果更好。

 

圖3：光束勻化器的使用示意圖

 

光束勻化器通常以“漫射角(diffusion angle)”來表征準直光束經過器件后的發散能力?？梢赃x配不同焦距的透鏡來實現不同的投射面積。

 

光束勻化器的使用特性：

 

· 對縱向擺放位置、橫向偏移不敏感；

· 入射角度偏差會導致零級輕微增加；

· 對入射光尺寸、偏振不敏感；對光學元件的質量無特殊要求；

· 對M2 較小的單模激光勻化效果不佳，有干涉條紋，但圖樣邊沿清晰；對M2 較大的多模激光勻化效果很好，但邊沿略模糊。

 

圖4 光束勻化器對單模（左）、多模（右）激光的勻化效果

 

針對單模激光如有勻化要求，一般推薦使用平頂發生器，在不能使用平頂發生器的場合（如光斑M2較小，但強度分布不規則），可以使用“高均勻度”系列產品來提升均勻性。

 

圖5 標準（HM）與高均勻（HH）產品對TEM00激光的勻化效果

 

光束勻化器的主要應用：

 

· 激光光強勻化，整形

· 加工與處理：打孔，熔蝕，打標，劃線，焊接

· 醫美

· 準分子激光器光束整形

· 熱斑抑制

 

3) 環形發生器

 

環形發生器用于產生環狀強度分布的光斑。常用的環形發生器有渦旋位相板、衍射錐透鏡、多環發生器等。

 

圖6 渦旋位相板、衍射錐透鏡、多環發生器產生的圖樣

 

渦旋位相板（Spiral Phase Plate, Vortex）

 

渦旋位相板在高斯光束的波前上，沿圓周方向施加0 - 2π連續變化的位相；具備渦旋位相的光束，在遠場或透鏡焦面形成空心的環狀光強分布。

 

沿圓周方向旋轉一周，位相在0 - 2π連續變化的次數稱為渦旋位相板的“拓撲荷”或“拓撲階”。相同焦距情況下，階次越高的位相板，形成的環尺度越大。

 

圖7：上：1~4階渦旋位相板的表面形貌（相延）示意圖下：1 ~ 4階渦旋位相板形成的遠場強度分布圖

 

渦旋位相板通常配合透鏡使用。

 

渦旋位相板在使用中的注意事項和特性如下：

 

· 輸入光需要TEM00單橫模；所有光學元件要求低波差；

· 1階渦旋位相板將高斯光束變為軸對稱TEM01模；

· 1階渦旋位相板在焦平面形成的圓環尺度與高斯光束的衍射極限相當；

· 圓環分布只在焦平面前后一段距離（約為光斑尺寸的一半）保持；

· 對光束中心對位、傾斜均敏感；較大的輸入光斑有助于降低敏感度。

 

圖8 渦旋位相板的使用示意圖

 

除了產生環形結構外，渦旋光本身的位相特征也被很多物理實驗所利用。

 

以色列Holo/ or公司還提供一種矩形渦旋位相板，對光束尺寸不敏感、對離焦、偏心敏感度較低。

 

如光源為多模激光，需要產生環形結構，可采用衍射錐透鏡。

 

環形發生器（渦旋位相板）的主要應用：

 

· 天文學

· 光鑷

· 加密

· 顯微與超分辨顯微

· 光刻

 

衍射錐透鏡（Diffractive Axicon）

 

錐透鏡被廣泛用于激光加工中產生貝塞爾光束，以實現較大的焦深。在錐透鏡上加以衍射光學技術，可將準直光變換為圓錐面上傳輸。經過透鏡成像，可以實現環形光斑。如用于點光源，可形成沿軸向分布的焦線。

 

對光束直徑、衍射錐透鏡的位置加以調整，可實現不同的直徑以及不同的粗細的環：

 

圖9 調節環形結構的粗細（上）以及直徑（下）

 

衍射錐透鏡的特征：

 

· 環寬度為衍射極限量級（折射/多層型為1.75倍衍射極限，二元衍射結構為1倍）

· 中心偏差、角度偏差敏感；

· 光束口徑、M2、偏振不敏感；

 

衍射錐透鏡的主要應用：

 

· 原子陷俘

· 直線加速器等離子體產生

· 環形光斑眼科手術

· 太陽光聚光器

· 激光錐鏡腔

· 激光鉆孔/ 微孔

· OCT

· 角膜手術

· 望遠鏡

 

四、衍射分束器（多光束衍射元件）

 

衍射分束器將準直光束分為一維排列或二維排列的多個光束，每個光束保持原來的特征，以不同的角度出射。衍射分束器本質上是光柵結構，其出射角滿足光柵方程。通過精心的設計二元或多元的衍射單元結構，可實現各路輸出之間的能量分配。復雜的衍射分束器可產生大角度的寬場照明以及特定圖樣的光斑分布。

 

一維或二維陣列光束，通過透鏡聚焦后可形成焦點陣列，用于高功率激光并行加工。

 

圖10：衍射分束器的示例，從左至右：二維分束器、光束取樣、編碼結構光

 

1）分束器

 

圖11 左：奇/偶數分束器的光束分布；右：分束器配合透鏡構成聚焦陣列

 

分束器在選擇時首先需要考慮所需要的出射光束數量、分布（一維或二維）、全角、分離角等因素。常規的分束器提供等角度分離，功率/能量均分。特殊的角度和能量分配也可以訂制。

 

分束器適用于單橫?；蚨鄼M模激光，對光束的偏離不敏感，同時適應各種光束形貌。

 

2）光束取樣器

 

光束取樣器用于對高功率激光進行取樣，其+1、-1級衍射光斑分配少量功率并保持原光束的傳輸特性，以便對高功率激光進行監控和測試；而零級則集中了主要的能量。圖10中間圖樣展示了光束取樣器的功能和效果。

 

3）結構光發生器

 

結構光發生器可以產生各種訂制的光強分布：形狀，紋路，周期等。通過將結構光透射到凹凸不平的表面，通過測量其光強分布的形變，可以計算目標不同位置的深度、運動等。

 

結構光發生器在3-D成像（如人臉識別），3-D傳感（如自動駕駛激光雷達），機器視覺與計算視覺方面有廣闊的應用前景。

 

圖12 顯示了結構光發生器產生的部分規則光強分布；圖10右側展示了通過結構光發生器產生的復雜二維編碼。

 

圖12 結構光發生器產生各種規則分布示例

 

五、焦點衍射元件

 

與前述幾類衍射元件主要在特定工作面或一定景深范圍內，產生橫向（垂直于激光傳輸方向）平面的光強分布不同，焦點衍射元件用于激光聚焦后縱向（沿激光傳輸方向）的特定分布。

 

根據傳播定律，任何光束在聚焦后只能在一定傳播距離內（通常是瑞利長度）內保持焦斑的尺寸，超過這個范圍光束將發散。在激光切割、鉆孔等應用中，當加工深度較大時，這種特性常常造成困擾。焦點衍射元件應運而生，通過衍射光學構成能夠在較長傳播距離內保持能量集中度的聚焦特性，保證激光加工的質量。

 

這方面的器件主要有多焦點DOE、貝塞爾DOE等。

 

1）多焦點衍射元件

 

圖13 五焦點衍射元件（左）；兩種不同器件的使用方式（右）

 

多交點DOE在光軸方向產生多個焦點，每個焦點都可具備衍射極限的尺度，并分配一定比例的激光能量（通常為等分）。這種分布保證了在一定縱深范圍內，各個焦點處激光具備同樣的功率/能量密度。

 

如圖13 （左）所示，多焦點DOE有兩種類型；一種類型集成了聚焦透鏡功能，其焦距、焦點間距是固定的；第二種類型由DOE產生多焦點效應，而焦距、焦點間距由附加透鏡決定。

 

多焦點衍射元件對入射光的位置、角度均敏感。

 

多DOE主要用于眼科、光學傳感器、激光切割與鉆孔、并行變焦系統、顯微等。

 

2）貝塞爾衍射元件

 

貝塞爾衍射元件產生貝塞爾光束，經過聚焦后具備比高斯光束更長的景深，同時具備更大的光斑直徑。

 圖14 高斯光束（下）與貝塞爾光束（上）經過相同透鏡后的焦斑軸向分布 

 

貝塞爾衍射元件可直接插入激光加工系統或顯微系統中使用，不改變原有的焦距，犧牲一定的橫向聚焦特性，得到更長的焦深。與常規聚焦一樣，貝塞爾光束的焦斑尺寸和焦深也受激光原有的激光光斑直徑、發散角影響。

 

小 結

 

通過對激光波前位相在微米尺度的控制，衍射光學元件能夠生成各種位相分布，主要可實現：

1）像面上幾乎任意形狀和分布的光斑；

2）特殊的位相分布；

3）特殊的焦斑軸向分布；

4）數個波長的色差矯正。

 

實現這些功能的同時，衍射光學元件具有體積小、損傷閾值高、使用簡單等優勢。衍射光學元件在激光加工、光學顯微、成像、生物醫學、顯示與印刷、3-D成像和遙感等等領域有巨大的應用，并將有越來越多的應用被開發出來。

 

參考文獻

[1] 梁傳樣.激光投影顯示光學系統關鍵技術研究[D].長春：中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，2017.

[2] 包海廷. 基于DOE光場整形系統的設計與制作[D]. 長春: 長春理工大學, 2016.