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衍射光学元件的特点及其应用

衍射光学元件（Diffractive Optical Elements，DOE）是通过表面的浮雕结构对入射光相位进行调制，在输出面得到任意形状光斑的一类光学器件。 

衍射光学元件的特点及其应用

衍射光学元件以其优越的性能，成为光学界的研究热点。但是由于精密技术及超精密技术的发展限制，衍射光学元件的制备也受到了限制。
一、特点
衍射光学元件不仅具有体积小、重量轻的优点，并且在传统衍射光学元件的基础上又多了许多新特点： 
1.高衍射效率 
作为一种纯相位调制的光学器件，若衍射光学元件表面浮雕结构的位相是连续的，则具有高衍射效率的性能。研究者通常将这种连续的位相通过二进制量化来获得多台阶位相，尽可能地接近连续位相值。 
2.色散性好
当用多色光照射衍射光学元件时，其呈现的色散特性与传统折射型器件相反。因此可以将衍射光学元件放到传统的光学系统里，构成混合光学系统，这种系统可以有效的消除色差，改善成像质量。
3.设计自由度大
在设计传统折射光学元件时，一般仅通过改变的其曲率或材料来得到期望的光斑，因此传统元件仅能够设计较为简单的输出面光斑。而衍射光学元件可以通过改变浮雕结构、深度等得到任意形状的输出面光斑。因此衍射光学元件在设计自由度上优于传统光学元件。 
4.材料可选性多 
可以将衍射光学元件的面形结构刻蚀在石英材料、电介质、金属材料和一些光学性质不理想红外材料（如 ZnSe 和 Si）上，而传统光学一般不会选择这些半导体材料。此外，衍射光学元件还可以利用这些红外材料在宽波段上消除色差。
5.光学功能多 
衍射光学元件可以产生球面、非球面、环形面、锥形面等任意期望的波面。与传统光学器件相比，大大增加了应用功能。 

二、相关应用

 

由于衍射光学元件有许多特殊的功能，可以将其与传统折射光学器件结合，即构成折衍混合光学系统( HOS) ，衍射光学和传统光学的结合可以减小系统色散、提高光学系统的成像质量，缩小系统体积，促进光学系统的智能化、轻型化。 
由于衍射光学元件与传统折射型光学器件具有相反的色散特性，将其与传统光学系统相结合，相当于在系统中添加了一种具有负色散特性的材料，因此可以达到消除色差的效果。
在头盔显示光学领域，衍射光学元件发挥着重要的作用。传统的光学系统不能同时满足头盔显示器的各项要求，如大视场角、高分辨率、体积小、重量轻等。随着衍射光学元件的不断发展，衍射光学元件也越来越多的应用到各种头盔显示系统如夜视仪、透视仪中，这促进了头盔显示系统的小型化轻型化发展。 
由于衍射光学元件独特的色散特性，因此折衍混合系统在头盔显示器中的使用，达到了其对高分辨率、大视场角的要求。 
衍射光学元件广泛应用于激光分束领域 。激光分束器衍射光学元件可将一束光分成多束光输出，且输出光束与入射光束具有相同的光学特性。通过合理设计衍射光学元件表面的浮雕结构，分束器可以产生一维点阵、二维点阵等，以达到不同领域的需求。衍射光学元件在激光分束器领域的应用，满足了激光器对高衍射效率、高均匀性的要求，进一步促进了分束器的广泛性。 
衍射光学元件广泛应用于光束整形领域 。光束整形技术可以改变入射光在输出面的光斑分布、聚焦光斑的尺寸、焦深等。 
比如光束整形技术可以将入射光整形成线形、矩形、环形等任意能量均匀分布的光斑，还可以通过设计合适的相位分布，将入射光整形成焦斑小、焦深长的整形光束。扩大了光束整形器件在工艺、医疗、商业等领域的应用范围。

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