衍射光學元件（DOE）在科學研究方向的應用

衍射光學元件（DOE）在科學研究方向的應用

衍射光學元件（DOE）本質上是位相調控元件。其產生的特殊波前位相以及在特定像面上的強度分布，在實驗室科研及工業應用開發中均有多方面的用途。高效率、高精度、靈活訂制性能是DOE在這類應用中的顯著特征。

STED 及超分辨顯微
近年來，受激發射耗盡（Stimulated Emission Depletion, STED）顯微作為一種高速度超分辨顯微技術被廣泛發展。STED采用激發光激發樣品熒光，退激發光照射在特定區域上使得該區域熒光因受激輻射而耗盡，而尺度小于光學顯微鏡的未耗盡區域的熒光被探測，從而實現超越顯微鏡光學分辨率。
STED通過先后將兩束重合的激光照射到樣品點來實現。退激發光需要中間為零、環狀分布的光強。通用的方法是采用DOE來實現環狀分布，渦旋位相板是適合的產品，直接插入激光入射光路就能夠在物鏡焦面上形成環形光。其它可能適用產品包括用于3D成像的圓形p位相板。

 
圖6.1 STED示例（左）；一階渦旋位相板構建的位相分布（右）

?相關DOE產品：渦旋位相板；p 位相板
雙光子熒光顯微
與標準的共聚焦熒光顯微類似，雙光子熒光顯微采用激光激發樣品內的熒光標記物并探測熒光。不同的是，雙光子熒光利用雙光子吸收過程（同時吸收兩個長波長光子）。長波長光子具備更長更低的散射，從而提升圖像對比度；同時，長波長光子在組織內穿透深度更大，而且相對于短波長光子不易滅活樣品。更進一步地，雙光子吸收需要較高的功率密度，通常采用飛秒超快激光，可以通過控制光強來實現超過光學分辨率的小區域激發。
DOE分束器能夠在物鏡焦面上產生多個焦點，可以實現并行的多點雙光子熒光。

 
圖6.2 雙光子熒光原理示意（左）；多焦點結構（右）

?相關DOE產品：分束器
貝塞爾光束
貝塞爾（Bessel)光束是在一定程度上對衍射“免疫”的*光束 — 在傳播過程中，在一定范圍內它不會像通常的光因衍射而發散。這種光束由貝塞爾函數描述，它描繪了一種具備多環結構的截面分布。
聚焦后的貝塞爾光束具備比高斯光束長的多的焦深，但焦點處的強度更低。
典型的應用包括成像，以及在非線性過程中提升焦深。可通過衍射DOE來構建貝塞爾光束。

 
圖6.3 高斯—貝塞爾轉換及貝塞爾光束強度分布

?相關DOE產品：衍射錐透鏡，長焦深DOE
激光橫模生成與轉換
在很多應用中需要將激光基模（TEM00）轉換成高階高斯-厄密模式（振幅分布在笛卡爾坐標系中的x-y方向分離）或高斯-拉蓋爾模式（軸對稱模式，振幅分布由角座標描述）。
典型的應用包括流式細胞術，光通訊，生物細胞成像以及掃描應用。
p-位相板可將TEM00的高斯光斑轉換成為高斯-厄密模式（可實現任意階次），而渦旋位相板則可產生高斯-拉蓋爾模式。

 
圖6.4 高斯-厄密模式生成及p位相板

?相關DOE產品：渦旋位相板；p-位相板
光鑷與原子陷俘
光鑷用光來操作小至單分子或原子的微觀目標。一束激光，通常是高功率的近紅外激光，通過高性能顯微物鏡，在目標平面內形成光斑。此光斑形成一個能夠將目標保持在中心的“光阱”。
通常的應用包括生物醫學，納米顆粒等，用于控制或跟蹤測量微觀物體的運動。

 
圖6.5 光鑷（左）；衍射錐鏡構建的光斑（右）

?相關DOE產品：衍射錐鏡；渦旋位相板
艾利光束產生
艾利（Airy）光束具備不衍射的波前，在傳播中光束不會擴散而且光線會彎曲。
艾利光束同時具有自由“加速”特性，當它傳輸時，路徑彎曲形成拋物線。
理想艾利光束的截面表現出一定區域的主光斑強度分布，伴有系列旁瓣；隨著光線傳輸到無窮遠，亮度會漸次降低。典型應用包括小顆粒的操控，如微流體工程和細胞生物學。

 
圖6.6 艾利光束的2維強度分布（左）和位相分布（右）

?相關DOE產品：球面位相板
相干合束
相干合束的目的是將多束低功率激光合成一束高功率激光，同時保持高光束品質。相干合束技術可以獲得遠高于單臺激光能提供的強度。
DOE分束器可以將高斯光束分成多束，每一束的橫模保持原有狀態，每一束的強度分配可根據需要設計。如果將DOE分束器逆向使用，多束激光沿分束器設計的出射角入射，則能夠將多束激光合為一束出射，而且不改變其空間相干性。
這種合束方式還可以級聯使用。
典型應用：定向能武器；激光反導；空間碎片清理。

 
圖6.7 分束與合束

?相關DOE產品：分束器
 流式細胞術
流式細胞術是一種廣泛使用的技術，采用光照來分析在流體中流過的粒子的物理和化學特征。當標記的細胞經過光照時，其熒光標記物被激發到高能態；在躍遷回到低能態的過程中輻射波長略長的熒光，通過測量熒光就可測量細胞的尺寸和內在的成份和結構。
流式細胞術廣泛使用在多方面的細胞生物學研究中，同時也是疾病診斷（尤其是癌癥診斷）的例行手段以及基礎臨床研究手段。

 
圖6.8 流式細胞術示意圖（左）；圓形平頂光斑（右）

?相關DOE產品：一維多光束DOE（用于并行通道流式細胞術）；平頂發生器