光学和光子学的物理定律可用于对光的传播进行建模。传统的反射和折射光学（也称为几何光学）将光描述为可以被光学材料（如磨光玻璃、彩色磨砂塑料、人体皮肤、哑光白漆等）反射、折射、散射或吸收的光线。

与之不同的是，衍射光学将光描述为一种电磁波。当光波遇到尺寸与其波长相当的微观结构（微光学元件）或开口时，就会发生光衍射。当光在这些尺寸只有数百纳米的结构中发生衍射时，光束可以被聚焦、整形、重定向或分束。

通过衍射来控制光属性的组件，被称为衍射光学元件（DOE）。其中一些元件如今已经应用于光学领域，如衍射光栅，而其他新型元件被视为新一代光学透镜（例如超表面和超透镜）。

DOE可精确控制光波的相位、偏振和强度，因此具有极高的应用价值。另外，其比传统折射光学元件更薄、更轻，从而可以减少光学系统的尺寸、重量和成本。

许多常见类型的DOE被用于调控光源，这些DOE包括衍射光栅、菲涅尔波带片、衍射分光镜、衍射光束整形器和衍射匀光器。

衍射光栅

衍射光栅是一种具有微小周期性结构的光学结构，其中，这些结构之间的距离与光波长一样小（即在微米或纳米范围内）。这些结构可以将入射光重定向到多个空间方向，这些方向被称为衍射级次。衍射光栅的应用十分广泛，涵盖光谱分析到增强现实（AR）眼镜等技术。 

目前业内有两种类型的衍射光栅：

• 表面浮雕光栅
• 体积全息光栅

表面浮雕光栅具有使用金刚石车削、3D打印或光刻技术等机械方法制造的小型周期性刻线。每种光栅中的刻线都不相同，使设计人员能够根据预期应用和波长范围定制光栅，实现对光的调控。周期性和结构的变化会改变光栅的衍射效率和衍射级次，这有助于在调控光线时实现更好的控制。

体积全息光栅是通过在感光材料中记录全息图案制造而成的。首先，感光材料（即聚合物或玻璃）暴露于由两个相干激光束产生的干涉图案中，这就形成了基板材料中折射率的三维调制。

当光以原始记录的入射角之一照射光栅时，它会再现流程中使用的第二个记录光束。响应的带宽取决于材料、调制指数和光栅厚度。

菲涅尔波带片

菲涅尔波带片由线密度呈径向增加的环形光栅（即靠近外边缘的环）组成。同心光栅在透明区和不透明区之间交替变化。照射到透明环带的光会被透射，而照射到不透明环带的光则会发生衍射。环带之间的间距决定了衍射光的干涉方式，使其聚焦形成图像。菲涅尔波带片可用于不同的波长，因此其在X射线成像、光谱学、摄影和望远镜等许多应用中极具价值。

衍射分束器

衍射分束器是将入射光光束分成多个光束输出或衍射级次的光栅。每个输出光束都保留与输入光束相同的光学特性。这类器件通常用于激光等设备中的单色光，并针对特定的波长和衍射角进行设计。  

衍射光束整形器

衍射光束整形器会改变具有高斯强度分布的激光光束的相位分布和强度，也就是说，光束的亮度在中心最强，向边缘平滑递减，呈现出曲线分布。衍射光束整形器可调控输入光束的特性，以改变输出光束的形状。输出光束通常为环形或矩形，但也可以获得其他光束几何结构轮廓。衍射光束整形器可用于光刻、全息照明、光学传感器、生物医学应用和激光材料加工等领域。

衍射匀光器

衍射匀光器也可将入射激光束转换为多个输出光束，但主要区别在于，这些输出光束会相互重叠和干涉，从而形成均匀的分布。它们通常由特定的微观结构组成，用于确定光的衍射和分布方式。工程师可以设计这些微米级结构，以实现不同的照明图案（例如环形、正方形或十字形）。

衍射匀光器可用于实现光源均匀化，并将较窄的光束传播到更广泛的角度范围内，而不受传统折射光学组件的限制，其应用包括：机器视觉系统，可提供均匀的照明以实现更好的图像捕获；显示器，可用于改善视角；闪光激光雷达，可用于将激光束均匀分布到广阔的区域；以及扫描激光雷达，可用于控制激光光束的扩散程度（这也被称为扩散角）。 

作为新一代光学技术的代表，新型先进的衍射光学组件方兴未艾，比肩业内成熟的DOE产品。这些先进的衍射光学组件使用纳米压印和光刻等先进半导体制造技术创建而成。当今最重要的两种先进DOE是用于光子集成电路（PIC）的超透镜和光栅耦合器。

超透镜

超透镜由分布在基板上的数百万个元原子（具有不同形状和大小的纳米级结构）组成，以形成透镜。表面上的元原子的大小和位置会改变光波的重定向方式。超透镜和一缕头发一样纤薄，而且更紧凑，所以可替代笨重的传统透镜。超透镜的重量非常轻，因此成为了便携式设备的理想之选。此外，超透镜还可以使用大规模生产半导体芯片所用的工艺和设备来制造。

超透镜还可以聚焦或过滤特定颜色或波长，从而显著减少色差。得益于这些优势，超透镜有望在许多应用中替代传统折射透镜，包括增强现实眼镜中的投影系统，用于内窥镜的纤薄紧凑型双向成像/投影透镜，以及手机和无人机中的成像摄像头。

光子集成电路的光栅耦合器

另一个领域是共封装光学，这是由光学组件和封装基板上的硅组成的集成系统。共封装光学器件旨在应对现代电子产品的功耗和带宽挑战，并被视为光子集成电路开发的重要基石。一些主要应用包括增强现实、虚拟现实、图像传感器和光通信等。

利用共封装光学技术，我们能够耦合两个不同尺寸的波导（输入波导和输出波导），使光在两者之间传输时具有低衰减或最小的信号损耗。这些连接结构有望成为光子PIC的基本构建单元，从而可用光子组件取代电子组件。因为光的传输速度比电子的速度快，这意味着，从理论上电路可以实现更快的运行速度和更高的数据传输速度，因此，未来PIC预计将备受青睐。

衍射光学元件的复杂性和小尺度使其成为了3D电磁仿真软件的理想备选方案。例如，对于超透镜，仿真可以帮助研究人员检查元原子的位置和大小，以对光通过不同布局的衍射进行仿真。仿真可帮助设计人员分析由衍射光学组件调制时的场分布、远场方向图和波前变化。

Ansys Lumerical套件、Ansys Speos软件和Ansys Zemax OpticStudio软件都可以对衍射光学组件进行仿真。在Lumerical套件中，可以使用FDTD和RCWA求解器对单个组件进行设计，而在OpticStudio软件中，可以对DOE的性能进行分析。这些软件包使您能够同时对单个透镜或多个透镜进行仿真。

超透镜的设计和仿真

仿真软件可以显示光如何穿过具有不同元原子布局和尺寸的超透镜，然后导出用于制造的设计数据。这些仿真技术，可用于开发增强现实和紧凑型投影仪应用的透镜。Ansys软件中的多GPU设置，可通过结合多个GPU的内存和处理能力来加速仿真性能，使您能够对包含数百万个元原子的大型超透镜系统进行仿真。

共封装光学仿真

Lumerical套件的共封装光学仿真，可以对光如何通过波导传播进行建模，并展示波导形状在光波分束与引导中的重要作用。这些数字模型展示了共封装光学如何支持PIC的开发。此外，光学仿真还可以帮助设计人员评估衍射光栅将光耦合到波导的效率，并展示了如何调控光的传播方式，以适应后续波导的形状和尺寸。与此同时，它们还可以对如何组合波前以形成特定图样进行建模。

共封装光学光栅耦合器输入-输出设计

超透镜和共封装光学可支持许多技术的发展，包括：

• 更纤薄、更紧凑的手机和摄像头
• 可以取代CMOS图像传感器微透镜阵列和Bayer彩色滤光片的超表面
• 轻巧紧凑，具有更明亮、更清晰画面的增强现实眼镜
• 可取代传统电子组件并实现更快通信的光子组件
• 先进的医疗光学技术，包括共聚焦激光扫描显微镜、光学相干断层扫描（OCT）、内窥镜和人工晶状体

Ansys软件工具，可帮助企业在生产制造开始之前，就对设计进行有效改进和完善。Lumerical套件等工具可支持衍射光学组件设计，其不仅在学术界广受欢迎，还被许多全球性企业用于改进其产品。

如果您希望优化衍射光学组件的设计和制造，并在市场中占据领先地位，欢迎联系我们的技术团队。

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