技術領域：光學工程；

潛在的應用領域：包括激光制造以及結構光照明等多種需要光束整形（垂軸、軸向或三維）領域。

1. 痛點問題

激光廣泛應用在制造、傳感、醫(yī)療、科研、軍事等諸多領域。對不同應用，除功率、波長、模式等有不同要求外，對激光光斑形狀也逐漸提出整形要求，以適應性能不斷提高的制造、傳感等需求。例如在激光焊接、激光退火、激光剝離等需要圓形、矩形（方形）、線形且平頂分布的光斑；在激光打孔、激光切割等需要軸向多焦點、長焦深分布的光斑；在激光熱負荷模擬或激光熱處理中，需要特定形狀和光強分布的光斑以匹配復雜零件并模擬實際工況等。

衍射光學是實現(xiàn)光束整形的重要技術手段，但在國內(nèi)尚未廣泛應用，例如在激光制造領域，大多系統(tǒng)直接利用激光聚焦光斑，少部分利用微透鏡陣列、微柱鏡陣列等折反射器件進行光束整形，但這種方案所能實現(xiàn)的光束整形通常是產(chǎn)生圓形、方形或矩形光斑，不能實現(xiàn)任意形狀的光斑。此外，整形光斑邊緣較為平緩不夠陡峭，平頂性能不夠好，存在較大的光強起伏；受限于設計與制造，按照傳統(tǒng)方法設計，衍射光學整形光斑尺寸受限，通常包含大量散斑，且存在明顯的中心零級等，或者減小線寬至數(shù)個波長以產(chǎn)生大角度光束整形光斑，但數(shù)個波長的線寬無法利用國產(chǎn)設備進行制造。

2. 解決方案

本成果的衍射光學器件（DOE），是基于光的標量衍射理論，利用計算機輔助設計、并用大規(guī)模集成電路制作工藝，在基片上(或傳統(tǒng)光學器件表面)刻蝕產(chǎn)生兩個或多個臺階深度的浮雕結構，形成純位相、同軸再現(xiàn)、具有高衍射效率的一類光學器件。利用衍射光學器件已實現(xiàn)了諸多功能，包括光束整形、點陣產(chǎn)生（包括大角度、超分辨等）、長焦深（包括中空、軸上多焦點）等，為激光制造、三維測量、超分辨顯微成像、流式細胞儀等系統(tǒng)提供新穎解決方案。創(chuàng)新性地采用球面波入射（或折衍混合）、特定振幅相位約束等方法，擴大了有效衍射場，對入射波前畸變、加工誤差不敏感；抑制了散斑，提高了光束整形性能，提升了數(shù)字全息顯示的分辨率；實現(xiàn)了大角度任意點陣、白光點陣等；實現(xiàn)了不同排列形狀的超分辨點陣；實現(xiàn)了多種長焦深、中空長焦深、軸上多焦點等軸向光場分布。

高斯光束入射，束腰半徑3mm，器件半徑10mm，均方根誤差0.4%、效率94.3%

3. 競爭優(yōu)勢分析

以色列Holoor是全球第一家提供商用衍射光學器件的企業(yè)，成立于1989年，經(jīng)過二十余年的發(fā)展，Holoor以提供商業(yè)用途的DOE實現(xiàn)對激光能量分布的各種調(diào)制，例如激光分束、激光聚焦、激光采樣、激光整形、平頂光斑、軸向多焦點、長焦深、勻光擴散、雙波長等各種對激光能量分布的控制，理論上可以生成任意激光圖形。

國內(nèi)已有不少公司從事衍射光學器件的研制及系統(tǒng)應用，但主要專注于器件加工、或者主要專注于人臉識別、AR等領域，且在設計時，通常采用商用軟件進行設計，功能較為局限，性能不夠優(yōu)良，在大角度光束整形、散斑抑制、非激光光源光束整形等方面尚未見報導。

本成果在以下三個方面具有競爭優(yōu)勢：

1）獲得更好的衍射光學光束整形性能；

2）利用球面波或其他非準直光束入射，可實現(xiàn)大角度（同等傳輸距離的大尺寸）光束整形；

3）利用白光LED或其他寬光譜光源，實現(xiàn)光束整形。

4. 市場應用前景

近年來高端激光制造市場在國內(nèi)以30%的同比增長幅度在遞增，國家政策、發(fā)展規(guī)劃和項目指南均強調(diào)重點支持作為高端制造領域的激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展，為產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速發(fā)展提供了廣闊的產(chǎn)業(yè)政策空間和良好機遇。2021年中國激光設備產(chǎn)量約為20.19萬臺，還有很大增長空間。

5. 發(fā)展規(guī)劃

初期階段聚焦于激光制造光束整形，第一步是基于本項成果開發(fā)器件和模組，目標客戶包括國內(nèi)激光加工設備公司等；第二步是系統(tǒng)集成，目標客戶包括OLED柔性屏面板制作公司等。在后續(xù)發(fā)展過程中將持續(xù)不斷地與消費電子領域的公司接觸，力爭有所切入。

6. 知識產(chǎn)權情況

本項成果已申請6項專利。

以專利許可、技術轉讓、技術入股等方式進行合作，特別是具有國內(nèi)高端激光制造設備公司相關資源的優(yōu)先考慮，確定應用場景，研制衍射光學光束整形器件、模組和系統(tǒng)。

科研團隊長期從事衍射光學研究，在衍射光學器件的理論分析、優(yōu)化設計與性能評價，以及光束整形、點陣產(chǎn)生、復雜波前恢復、面形檢測、衍射超分辨、分色、長焦深等系統(tǒng)應用開展了全面深入的研究工作，出版專著1本和譯著1本。