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、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
按照光傳輸?shù)奶匦苑诸?br style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box; word-wrap: break-word !important;"/>
按照光傳輸?shù)奶匦裕す夥质骺煞譃檎凵浼す夥质骷把苌浼す夥质鳌?/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。