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doe衍射光学设计
Doe衍射光学设计是一种基于衍射技术的光学设计方法，用于
实现特定的光束形状和能量分布。
在Doe衍射光学设计中，使用一个特殊的光传输元件，通常
是光学衍射元件（Doe），通过光学干涉或衍射的原理，将输
入光束转换为期望的输出光束形状和能量分布。
Doe衍射光学设计可以实现很多应用，如激光加工、光束整形、光学通信、光学传感等。
它在激光加工领域中广泛应用，可以用来实现各种复杂的光束形状，如圆形、矩形、线性分布等，以满足不同的加工需求。
Doe衍射光学设计的关键是设计出合适的Doe元件，其衍射模式能够实现所需的光束形状和能量分布。
设计Doe元件的方
法有很多，常见的有遗传算法、光束传输矩阵等。
总的来说，Doe衍射光学设计是一种通过衍射技术实现特定光
束形状和能量分布的方法，广泛应用于激光加工、光束整形、光学通信等领域。
它可以提高光学系统的光束控制精度和加工效率，具有重要的实际应用价值。
基于DOE的激光工程系统设计随着激光工程应用在越来越多的领域，需要激光能够适应不同的工程需求，对激光束进行整形的研究也应运而生。
近年来，人们对DOE在光场整形上的研究不断深入，从理论上说，DOE几乎可以在物理实际条件允许范围内，将任意光束进行光场变换得到所需要的任意光束。
一、设计原理基于DOE的标识光场整形系统的功能结构主要包括预整形系统和DOE整形系统，如图1所示。
该系统通过双镜组预整形系统减小入射光的发散度，并通过对DOE整形系统的后期调制实现在固定距离的长距离场成像。
通过使用优化平滑算法计算DOE，得到成像均匀度和成像光强的最优解。
加入预整形系统的目的是为了减小激光初始的发散角，同时对整形前光束进行准直处理。
光束减少发散角后会使经DOE整形后得到的最终整形光场的光斑更为汇聚、光场均匀度更高。
预整形系统采用双镜组结构。
这种结构相对于透镜圆锥镜或锥透镜等结构，成本低，但效果相同。
二、预整形系统设计采用双镜组的预整形系统可减小激光束发散角。
选取负的前镜组使系统变得更紧凑，后镜组为正镜组，系统的角放大率如下式：通过表1可以看出，最终设计的预整形系统，结构小而紧凑，有效的降低了整系统的尺寸。
对于整系统来说，加入如上结构的预整形系统大幅优化了DOE分系统的整形前环境，预整形后的光束不仅扩束准直，也进一步的减小了发散度，可以使最终整形光场的光标识光斑更为汇聚和密集。
三、DOE设计的算法描述基于DOE的标识光场整形系统，通过参数指标来看，属于远距离大光场的光束整形。
特别是应用在大光场的主动照明和光标识上，要求整形后的光场，图案清晰，能量转换率足够高。
而考虑远距离的整形，其场外噪声对整形器应用的实际影响不大，噪声光束会随着距离的增加而严重衰减。
所以在DOE设计时要选取一种预期光场内均匀度足够高的优化算法。
为了改善输出光束在信号窗内的均匀性，对远距离大光场的DOE整形成像，无需考虑场外噪声的影响，DOE的设计采用一种优化的二次平滑修正法。
DOE的损伤阈值衍射光学元件简称为DOE，目前在高端激光加工设备中的应用越来越普遍，能够现实极佳的光学加工效果。
随着激光技术的发展，商用激光器功率不断增加，许多系统集成商和用户担心，衍射光学元件（DOE）可能无法承受这么高的功率。
因此，激光损伤阈值（LIDT 或LDT，laser induced damage threshold）的参数是选择光学元件时重要的参数之一。
激光器覆盖了很宽的波长范围内（从紫外到远红外）和时间范围（超快到持续波），不同的激光对应不同的损伤原理。
超短脉冲（t <0.5 [ns]）纳秒脉冲（0.5 [ns] <t <100 [ns]）连续波（CW）（t> 1 [μs]）损伤类型介电击穿介电击穿材料过热，导致化学降解雪崩电离·对于高脉冲重复率，可能会出现热效应，类似于CW光束。
在实际应用中，有三个主要影响激光损伤阈值LDT的因素。
1）制造工艺- 原材料和制造过程中的缺陷。
选择具有高光学质量（表面质量20-10 Scratch-Dig或更好的熔融石英）的基片。
整个制造过程在洁净无尘的实验室中，还会对每个元件进行缺陷检查。
2）镀膜层- AR镀膜层中的污染物。
使用具有高QA的离子辅助沉积（IAD）抗反射（AR）膜层。
3）使用- 热恢复期，元件的使用环境以及清洁和维护方式。
Holo/Or制定了安全使用和清洁的协议，以及彻底的LDT测试（参见下面的示例）。
衍射光学元件DOE的激光损伤阈值测试（LASHARE EU project）实验方法：在实际生产环境中（非洁净室）用激光照射DOE的8个不同位置，并持续增加每一束激光的功率，如果镜片表面没有损伤，则表示当前功率密度在损伤阈值之下，一旦出现打坏的情况则说明此时超过了损伤阈值。
测试流程：波长1030 [nm]重复频率800 [kHz]脉宽 6 [ps]空间脉冲形状高斯光时间脉冲形状高斯光照射持续时间30 [s]照射位置P. 1, …, 8每个位置P的照射间隔 5 [s]每个位置P之间的距离~1 [mm]焦点直径（表面）70 [um]重复实验次数 5用于测试的DOE参数：材料：紫外熔融石英表面质量：20-10 Scratch-Dig（或更好）镀膜性能：Ravg <0.2％DOE的镀膜类型这里准备了三组不同的DOE进行测试，无增透膜、单面镀膜（非衍射面）和双面镀增透膜。
光束整形器的分类光束整形器又称为激光整形器，是衍射光学元件（DOE）中的最常用的透镜。
光束整形器的作用是把激光光束转化为一个能量均匀分布的平顶光斑，光斑形状可以是正方形、圆形或其它形状。
评价光束整形器好坏的标准是光斑能量分布是否均匀、边沿是否锐利、效率是否足够高。
光束整形器（Beam Shaper/Top-Hat）——平顶光斑1.平顶光束整形器（Top hat）1）带聚焦镜的光束整形器(Focal Beam Shaper)；2）平顶光束整形元件(Angular Beam Shaper)2.M-Shape光束整形器，M形光束整形透镜(Beam Shaper_M Shape)，维尔克斯光电技术支持3.圆环激光发生器，圆环光束整形器，激光圆环衍射光学元件(Ring generator,Multi-Circles)4.螺旋相位板，涡旋透镜，激光轴棱镜，漩涡镜头，涡旋相位板(Diffractive Axicon,Vortex Lens)5.激光扩散器（使激光均匀地扩散成一个平面），均匀片，激光匀束元件，匀化光束整形器(Homogenizers,Diffusers)维尔克斯光电选型支持光束整形器——激光分束（Beam Splitters）1.激光分束器（Beam Splitter）1）一维激光分束镜，一维激光光束分束元件（1D Beam Splitter）2）二维激光分束器，激光二维分束透镜（2D Beam Splitter）2.客制化激光光束分束器，随机点阵激光分束镜，定制图形激光分束器（Custom Beam Splitter）3．激光光栅，衍射光栅（Gratings）4.激光采样器，激光采样镜，激光分光元件，激光取样器（Beam Samplers）光束整形器——焦点控制（Beam Foci）1.激光多焦点透镜，轴向多焦点激光元件，多焦点光束整形器（Multifocal Lenses）维尔克斯光电支持定制2.长焦深激光透镜，长焦深激光衍射光学元件（Elongated Focus,Extended Focus）3.双波长激光透镜，双波长激光聚焦镜，双波长衍射光学元件(DOE)，多波长激光镜（Dual Wavelength Lens）光束整形器——配件（DOE Accessories）1.高阶激光阻挡模组(Module for blocking unwanted spots\energy)2.激光缩放器，激光调谐器(DOE Tuner)3.激光电介质掩膜(Dielectric(Projection/Imaging)Mask)4.激光聚焦模组(Focusing Module optimized for Beam Shaper)Holo/Or聚焦模组和非球面镜、普通聚焦模组的效果比较5．DOE衍射光学元件扩束器(DOE Expander)。
【重点】全球与中国市场的厂商产品规格、价格、销量、销售收入，市场份额，行业政策，产业链，生产模式，销售模式及未来趋势。
【报告摘要】2021年全球衍射光学元件（DOE）市场销售额达到了3.49亿美元，预计2028年将达到4.54亿美元，年复合增长率（CAGR）为3.74%（2022-2028）。
地区层面来看，中国市场在过去几年变化较快，2021年市场规模为31.99百万美元，约占全球的9.18%，预计2028年将达到47.13百万美元，届时全球占比将达到10.38%。
消费层面来说，目前北美地区是全球最大的消费市场，2021年占有31.53%的市场份额，之后是欧洲和日本，分别占有29.75%和13.18%。
预计未来几年，中国地区增长最快，2022-2028期间CAGR大约为5.31%。
生产端来看，北美和欧洲是两个重要的生产地区，2021年分别占有34.90%和31.06%的市场份额，预计未来几年，中国地区将保持最快增速，预计2028年份额将达到6.92%。
从产品产品类型方面来看，激光分光衍射光学元件占有重要地位，预计2028年份额将达到53.68%。
同时就应用来看，激光材料加工在2021年份额大约是66.57%，未来几年CAGR大约为4.09%。
从生产商来说，全球范围内，衍射光学元件（DOE）核心厂商主要包括Shimadzu Corporation、Newport Corporation (MKS Instruments)、II-VI Incorporated、SUSS MicroTec AG和Zeiss等。
2021年，全球第一梯队厂商主要有Shimadzu Corporation、Newport Corporation (MKS Instruments)和II-VI Incorporated，第一梯队占有大约25.48%的市场份额；第二梯队厂商有Holo/Or Ltd.、Edmund Optics、Omega和Plymouth Grating Lab 等，共占有10.5%份额。
衍射光学元件DOE的应用领域1. 什么是DOEDOE全称为Diffractive Optical Elements，中文名称为衍射光学元件，是用衍射原理制作的光学元件。
衍射光学元件能够将电磁波分解为不同的频谱，通过对高版本的光束进行相位调控，就可以实现对光束的聚焦、分束、波前调控和三维成像等功能。
衍射光学元件不同于传统的透镜，它能够根据需求调整不同的声场分布，并且可以同时处理多个波长的光源。
2. DOE的应用领域2.1 光学检测DOE可以用于峰值检测，在光学检测中，需要精确的计算出扫描的位置，使用DOE可以在空间中快速获取光线的结构，可以高精度地探测目标的位置和角度，并且可以快速反应光线的强度和方向，可以实现快速光学检测。
2.2 光学通信DOE在光学通信中有重要的应用，它能够实现光学传输的方向控制和空间比多，可以用于在空气中进行光学通信或者光学数据传输，能够在局部范围内快速传递信息，对于数据信息的传输、图像信号的传输等都有重要意义。
2.3 投影系统DOE可以实现像位移的功能，用于调整控制投影光线，可以实现沿着一定的角度进行光线扫描，达到对显示屏或者投影图像进行高效的调整，确保图像的高质量显示。
2.4 激光打标在激光打标中，需要通过精确定位目标，才能实现高质量的激光打标，DOE可以实现对光束的精细分解和重组，可以根据工艺参数的不同，实现对图像的点位精度和马赛光标记的控制精度进行快速准确的控制，提高激光打标的效率和质量。
3. 总结DOE作为一种高精度的光学元件，其在光学检测、光学通信、投影系统和激光打标等领域都有广泛的应用。
随着技术的不断发展，DOE的应用领域也将不断拓展，可以预期，DOE会在更多的领域发挥其重要的作用，推动着光学通信、自动化加工、工艺控制等领域的不断进步和发展。
用于激光加工的DOE
最近，由于工业领域的强劲需求，催化出了许多激光焦工的新工艺，许多传统工业工艺被激光加工系统取代，例如激光消融、激光焊接、激光钎焊、激光打孔、激光切割、激光表面处理等材料。
各种激光加工类型占整个激光加工市场的份额，如下图所示：
图1.全球激光应用
衍射光学元件（DOE）在提供特定的激光束成形中起重要作用，这使得激光束成形和均匀化技术对于优化许多激光材料加工应用是必不可少的。
通常，激光系统中添加DOE元件之后能够明显提升系统性能。
激光加工系统的关键参数：
加工速度和产能
加工精度
- 边壁陡峭
- 热影响区
- 处理过程的有效性
激光消融和结构化
激光消融（激光烧蚀）是通过用激光束照射材料从固体（或偶尔液体）表面去除材料的过程。
通过在小区域上施加高能短脉冲来实现消融。
激光烧蚀已被考虑并用于许多技术应用，包括：纳米材料的生产，薄金属和电介质膜的沉积，超导材料的制造，金属部件的常规焊接和粘合，以及MEMS结构的微机械加工。
衍射光学元件中的Top-Hat和Vortex-Lens产生具有尖锐边缘的成形斑点，可在消融过程中产生精确的材料去除。
Multi-Spot元素支持并行处理，从而提高了吞吐量。
相关DOE产品：平顶光束整形器，螺旋相位片，分束器
图2.激光烧蚀图3.激光结构3
激光焊接
激光焊接技术用于通过激光连接多个金属或塑料件。
光束提供集中的热源，允许窄而深的焊接和高焊接速率。
该过程经常用于使用自动化的大批量应用，例如汽车工业。
在与切割技术的结合中，激光器非常适用于多种类型的焊接（点，线焊接）。
匀光镜（均质器）元件具有均匀，平坦的强度分布，受输入光束不均匀性的影响小，并且可以设计为针对特定焊接轮廓定制的能量和形状分布。
DOE还能方便地引入预热副光斑，可以预热焊接区域，然后对其进行后处理。
相关DOE产品：均质机/扩散器，分束器
图4.激光焊接图5.均质器能量分布
激光钎焊
在激光钎焊应用中，两个金属片通过激光熔化的焊线连接。
在钎焊丝熔化之前清洁和预热金属表面是非常关键的一部，如果清洁和预热做得好，则连接质量会得到明显改善。
汽车工业中已经做出了激光钎焊的典型应用。
海纳光学开发了一种特殊的三光点DOE，可以产生两个用于清洁/预热的小型副光斑和一个主光斑，可以将能量均匀地分布在钎焊丝上，从而实现更好的熔化和更清洁的边缘。
相关DOE产品：三光点DOE
图6.激光烧蚀工艺图7.定制均化器的能量分布
激光穿孔
激光穿孔通常用于加工薄膜材料或网状物，多用于片材，例如用于食品工业的香烟头纸或包装箔（延长易腐货物的新鲜度和质量）。
这种应用需要具有相等距离的所需图案的精确微孔，分束器特别适合这种应用。
相关DOE产品：分束器
图8.食品包装的激光穿孔图9. 9x9多点分束器
激光切割（金属和玻璃）
激光切割通过引导高功率激光器的输出焦点（通常通过光学系统和移动台）来扫描工件并进行切割。
它通常用于工业制造应用中，目标是在不增加聚焦光学元件的焦距的情况下扩展系统的焦深，或者提高切割质量并减少切割区域中的剥落和材料重新熔化。
通过在高于其熔点的聚焦激光束的焦点处局部加热材料来执行金属激光切割，所产生的熔融材料通过气流喷射，从而形成开口切口。
玻璃激光切割或激光切割通常在用高功率红外激光器完成。
由于玻璃在大多数波长下具有弱的光吸收，因此需要更强大的激光来切割玻璃。
通过使用多焦点DOE，能量在玻璃晶片的沿传播方向扩散，这样可以实现一次切割成功，无需在切割过程中调整光斑的焦深和z 移动。
多焦点DOE的这个特性对于隐形切割特别有用，玻璃和蓝宝石的切割效果良好。
相关DOE产品：螺旋相位片，多焦点DOE
图10.激光金属切割图11.涡旋透镜能量分布
图12.激光玻璃切割图13.沿光轴的细长能量分布
激光钻孔
激光钻孔是通过在材料上反复激发聚焦激光能量并蒸发熔化材料来创建通孔的过程。
脉冲能量越大，熔化和蒸发的材料就越多。
多年来，已经发展了几种激光钻孔技术，包括信号脉冲，冲击，直接钻孔和螺旋钻孔。
激光钻孔用于许多应用，包括硅晶片和橡胶的钻孔。
工程师们已经尝试了很多办法以达到更高的产量和更高的生产效率，多点光束分离器已被证明可以提供准确的加工效果，平顶光束整形器可以改善孔的边缘质量和直径精度，而螺旋相位片可以钻出环形。
相关DOE产品：分束器，平顶光束整形器，螺旋相位片
图14.不同的激光钻孔技术图15.不锈钢管的激光微钻孔
激光剥离
激光剥离（LLO）是一种选择性地从另一种材料中移除一种材料的技术。
激光束通过透明材料并被背面的相邻材料吸收，例如蓝宝石上的GaN。
激光剥离分离工艺允许处理具有对精度和重复性要求都很高的大面积器件。
出于这个原因，激光剥离在LED工业中用于分离发光膜，以及用于电视和移动设备的显示器加工中是非常普遍的。
LeanLine™（线激光准直输出模组方案）是一个创新解决方案，其用于将多模圆形输入光束转换为窄激光线，尤其是紫外和绿光波长（343,355和532 nm）。
我们的这个解决方案基于专有的衍射光束整形概念，可以适应从193nm深紫外到1600nm红外激光的任何波长。
通过线激光准直输出模组方案，可以使用低成本的多模激光器在细线中实现高效的功率密度。
相关DOE产品：LeanLineTM线激光准直输出模组方案
图16. Holo / Or的LeanLineTM模块图17.基板与玻璃面板的分离
激光表面处理（硬化和重熔）
激光表面处理的原理是由于高功率密度的激光相干光束与特定气体环境（真空，保护或处理气体）内的表面之间的相互作用而改变表面。
激光表面处理的一些典型用途是激光硬
化和激光重熔。
激光硬化是一种热表面硬化工艺，其中材料在临界温度以上被加热一小段时间，然后迅速冷却，防止金属晶格返回其原始结构并产生非常硬的金属结构。
激光重熔是另一种表面处理的热方法，其将组件表面短暂加热至高于熔化温度，然后熔体凝固并重新结晶，化学组成没有重大变化。
