激光分束器就是將特定輸入的激光束分成多個(gè)并行輸出光束的光學(xué)器件。在激光通信、光盤存儲(chǔ)、光互連以及激光3D成像、激光加工等領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)并行傳輸信息及能量，其處理速度比常規(guī)單一光束快幾倍、幾十倍甚至上百千倍。
激光分束器的發(fā)展現(xiàn)狀
激光分束器的基本指標(biāo)為激光波長、分束角間距θs、激光總視場θf，或者分束數(shù)M×N（N=1時(shí)為一維分束）、均勻性及效率等，見圖1，其中分束器的衍射效率及均勻性是其關(guān)鍵參數(shù)，是區(qū)分高中低端產(chǎn)品的核心依據(jù)。
一般而言，衍射效率在80%以下的為低端產(chǎn)品，衍射效率在95%以上的為高端產(chǎn)品。
目前多臺(tái)階衍射激光分束器的理論已經(jīng)較為成熟，但是受加工工藝條件的限制，基本上高端產(chǎn)品還是被幾個(gè)大公司壟斷，如以色列Holo-or公司、德國的Jenoptik公司、Holoeye等。
這類產(chǎn)品價(jià)格高，尤其在量少時(shí)價(jià)格更高，每片一般均在幾萬人民幣，甚至高達(dá)十幾萬。
國內(nèi)也有部分公司生產(chǎn)中低端產(chǎn)品，中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所研制的激光分束器的均勻性及衍射效率達(dá)到國外先進(jìn)水平，其衍射效率及均勻性等核心指標(biāo)均達(dá)到90%以上，部分達(dá)到95%以上。
其中，1x16激光分束器已經(jīng)在中國航天探月工程嫦娥三號(hào)著陸器中的激光三維成像敏感器中獲得成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對著陸附近月面面形高精度快速測量。
除此之外，激光分束器還用于很多民用場合。例如激光通信中的多通道并行傳輸激光扇出（Fan out）、激光雷達(dá)（Lidar）多點(diǎn)并行發(fā)射天線，激光加工中的二維多點(diǎn)激光打孔、激光打標(biāo)、快速多點(diǎn)并行3D激光打印，以及激光微創(chuàng)醫(yī)療美容中的多點(diǎn)陣激光祛斑、激光嫩膚等。
此外，近年來飛秒激光加工也逐步應(yīng)用于多焦點(diǎn)縱向三維激光分束來實(shí)現(xiàn)藍(lán)寶石等透明材料的激光切割、激光打孔，大大提高加工效率。
激光分束器分類
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按照光傳輸?shù)奶匦?，激光分束器可分為折射激光分束器及衍射激光分束器?/p>
折射激光分束器
折射激光分束器主要有透鏡陣列及棱鏡陣列，如圖2所示。這類分束器是對輸入激光波前進(jìn)行分割，優(yōu)點(diǎn)一是結(jié)構(gòu)簡單、能夠進(jìn)行多個(gè)激光波長的分束；優(yōu)點(diǎn)二是效率高，一般均能大于90%以上。缺點(diǎn)是各個(gè)分束光束的光強(qiáng)分布與入射光束一致，因此一般來說均勻性不好。例如輸入為高斯光束的激光經(jīng)過這類分束器后，其各個(gè)子光束的中心輪廓的分布仍然是高斯型。
衍射激光分束器
衍射激光分束器是根據(jù)輸入光束的特點(diǎn)，通過加載復(fù)雜結(jié)構(gòu)，使這些光場在特定輸出面進(jìn)行衍射傳輸及干涉疊加，形成特定的多光束分布。
衍射激光分束可以分為振幅型、純相位型及復(fù)合型（復(fù)振幅型）。
a
振幅型激光分束器
就是通過遮擋不同區(qū)域，使通過透明區(qū)域的光形成衍射及干涉，在特定面形成多光束，如常用的振幅型光柵。
振幅型分束器由于遮擋的原因損失了部分能量，所以效率相對較低，通常僅應(yīng)用于激光測試等小功率場合，而在中功率、高功率激光應(yīng)用中較少被采用。
此外由于其結(jié)構(gòu)僅僅依靠調(diào)制透明區(qū)域的其寬度及位置信息，所以分束均勻性較差；
b
純相位型激光分束器
通常也稱之為相息圖（Kinoform）,即狹義上的衍射光學(xué)元件（Diffractive Optical Element,DOE）。
輸入激光通過這類衍射光學(xué)元件的純相位調(diào)制后，在特定區(qū)域衍射及干涉后，形成與入射光束模式幾乎一致的多光束，這些光束可以是一維線陣排列、二維面陣排列，也可以是六邊形排列及其他方式排列。
這類器件因?yàn)闊o振幅遮攔，對所有光均透明，所以其理論可以達(dá)到100%；
c 復(fù)振幅激光分束器
振幅及相位同時(shí)調(diào)制的復(fù)振幅激光分束器，或者稱為全息光學(xué)元件（Holographic Optical Element, HOE）。
這類器件的振幅及相位同時(shí)被調(diào)制、其設(shè)計(jì)自由度更多，理論上更容易獲得高均勻的分束。但是振幅的連續(xù)調(diào)制在技術(shù)上是很難實(shí)現(xiàn)，故實(shí)際工程中一般采用0、1二值形式，這又導(dǎo)致衍射效率下降，所以一般僅用于激光測試等少數(shù)領(lǐng)域中。
純相位結(jié)構(gòu)的Kinoform由于設(shè)計(jì)自由度多、衍射效率高、體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)成為各種激光分束器最為理想的型式。但是Kinoform加工非常困難，所以有時(shí)只設(shè)計(jì)加工成兩臺(tái)階的純相位結(jié)構(gòu)，如典型的Dammann光柵，如圖3所示。
這類分束器設(shè)計(jì)、制作相對簡單，波前控制完全依靠其橫向突變點(diǎn)來完成，對制作要求極為苛刻，很小的制作誤差將導(dǎo)致目標(biāo)衍射場外高級(jí)衍射增加，使分束均勻性及衍射效率下降。
1987年MIT林肯實(shí)驗(yàn)室WilfridVeldkamp提出的基于IC光刻工藝制作的多臺(tái)階逼近的二元光學(xué)（Binary Optics, BO）及二元光學(xué)元件（Binary Optical Element, BOE）為DOE器件的制作提供了一種有效途徑，成為目前均勻性、衍射效率等綜合性能最好、最實(shí)用的衍射激光分束器。
如圖4(a)所示，圖4(b)為二元光學(xué)激光分束器的單一周期內(nèi)的結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)其臺(tái)階數(shù)達(dá)到16階時(shí)，其衍射效率即可達(dá)到99%，圖4(c)為理論衍射效率與臺(tái)階數(shù)的關(guān)系。
BOE激光分束器具備高衍射效率的同時(shí)成本相對較高，屬于光學(xué)元件中的奢侈品，目前主要應(yīng)用于航空航天等高端領(lǐng)域。
隨著大尺寸IC光刻工藝的提高以及高抗損傷閾值光學(xué)材料復(fù)制技術(shù)的成熟，多臺(tái)階衍射激光分束器的成本將逐步降低，有望應(yīng)用到更多的激光領(lǐng)域中。
按照激光分束的光斑排布分類
按照激光分束的光斑排布來看，激光分束器可以分為一維線狀分束器、二維面陣排列及三維Z向（或縱向）分束器，如圖5所示。
如何挑選激光分束器
最后在選擇激光分束器時(shí)，應(yīng)該盡可能選擇高衍射效率、高均勻性的高端產(chǎn)品。例如對Lidar多通道應(yīng)用，高衍射效率的激光分束器將大大降低發(fā)射激光的能量及系統(tǒng)體積，或者說在激光發(fā)射功率一定時(shí)，高衍射效率的激光分束器將增加其作用距離。
高均勻性的激光分束器將提高接收探測器的線性性能。對于激光加工、激光醫(yī)療等應(yīng)用來說，高均勻性的激光分束器有助于提高加工的一致性，而高效率的激光分束器不僅有利于減少激光輸出功率，而且有助于減少雜散光對光學(xué)加工頭的影響，提高光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。