微型衍射光学元件(M-DOE)是一种超薄的相位元件，通过干涉和衍射来产生所需要的光场。由于高可靠性、可扩展性、小体积、高集成度和低能耗等优势，微型衍射光学元件对于集成光学系统的构建具有重要意义。近年来，微型衍射光学元件的设计、功能和应用在不断更新，但是作为一种波长响应光学元件，衍射光学元件只能工作在特定的波长下，随着工作波长偏离设计波长，器件衍射效率会急剧下降。如何实现M-DOE宽带宽高效率地工作，是构建实用化集成光学平台必须攻克的难题。

衍射光学元件通过控制元件每一点的结构高度来精确控制器件的相位延迟量，从而调制入射光场以获得所需要的光场强度分布。衍射光学元件塑造光场的能力完全取决于其对相位延迟量的调制精度。但是由于材料的色散效应，介电材料在不同波长下的折射率不同，会导致器件在不同工作波长下的相位延迟量发生剧烈变化。因此，衍射光学元件的工作带宽较窄，理想的相位延迟量只能在特定波长下才能实现。如图1所示，对于传统的单层闪耀光栅而言，衍射结构单元的高度为λ/(n-1)，其中λ表示器件工作波长，n表示介质材料折射率。只有器件工作在设计波长（633 nm）时，衍射结构单元的相位延迟量才能达到2π的理想值。此时，所有入射光都被衍射到+1级，一级衍射效率为100%。当工作波长偏离设计时，器件的相位延迟量会急剧变化，入射光会被衍射到多个衍射级次上，器件一级衍射效率会急剧下降。

图1 单层微型衍射元件工作原理示意图以及其在宽带下衍射光场强度分布的仿真结果

因此，该研究团队提出了一种基于光流集成的宽带高效率多层微型衍射光学元件架构。图2展示了提出的宽带多层微型衍射光学元件的结构设计和工作机制示意图。该元件整体由三层固体衍射层组成，衍射层间填充有与固体材料色散和折射率匹配的液体，可以使宽带入射光在设计的同一衍射级上精确闪耀。第一层、第二层和第三层衍射结构分别由介质层n₁和n₂、n₂和n₃、n₃和n₄（介质n₄是空气）组成。当入射光穿过设计的多层衍射光学元件时，光线同时被衍射结构和不同色散特性的材料调制。从插入的曲线图可以看出，器件的相位延迟量在宽带下基本保持不变，这也是所设计的多层微型衍射光学元件能够实现宽带高效率运行的根本原因。仿真的光场强度分布也证明了整个可见光波段（406-824nm）的入射光基本上都被衍射到+1级，宽带一级衍射效率保持在较高的水平。

图2 宽带多层微型衍射元件工作原理及其在宽带下衍射光场强度分布的仿真结果

作为概念验证，研究团队通过飞秒激光双光子聚合加工技术制备了设计的单层和宽带多层微型衍射光栅，器件的制备结果如图3所示。制备器件具有良好的表面形貌，衍射结构的截面轮廓符合预期设计。

图3 制备的微型衍射光栅。（a）单层微型衍射光栅的形貌表征，（b）单层微型衍射光栅的横截面轮廓，（c）单层微型衍射光栅的宽带相位延迟量变化，（d）宽带多层微型衍射光栅的形貌表征，（e）宽带多层微型衍射光栅的横截面轮廓，（f）宽带多层微型衍射光栅的宽带相位延迟量变化

如图4所示，该研究团队测试了制备器件在宽带下的衍射强度分布和相应的一级衍射效率。从实验结果可以看出，传统单层衍射光栅将不同波长的入射光衍射到多个衍射级次上，其一级衍射效率随着工作波长的偏离而急剧下降。而对于设计并制备的多层微型衍射光栅，不同波长的入射光基本上都被衍射到+1级，其一级衍射效率基本保持稳定。

图4 制备的微型衍射光学元件的宽带工作特性表征。（a）单层微型衍射光栅实验的衍射强度分布，（b）宽带多层微型衍射光栅实验的衍射强度分布，（c）单层微型衍射光栅理论和测试的宽带衍射效率，（d）宽带多层微型衍射光栅理论和测试的宽带衍射效率

此外，研究团队提出的微型衍射架构是构建宽带衍射光学元件的通用协议，适用于大多数基于相位延迟的微型衍射光学元件。作为概念验证，制备了宽带衍射透镜和宽带轨道角动量（OAM）光束产生器（图5），均展示了优越的宽带工作特性。

图5 宽带衍射光学元件：宽带衍射透镜（左）和宽带OAM光束产生器（右）

总的来说，陈岐岱教授研究团队针对传统单层衍射光学元件工作带宽窄，宽带衍射效率低，难以适用于宽带集成光学系统的问题，创新性地提出微流/光流集成的解决方案，利用多层材料的色散和多层衍射结构的设计，提出了一种通用的宽带多层衍射元件架构，可以实现衍射元件宽带高效率的工作目标。设计并制备的宽带衍射光栅、衍射透镜和轨道角动量光束产生器，均展示了优越的宽带工作特性。他们提出的多层衍射元件架构具有普遍适用性，可以实现绝大多数衍射光学元件宽带高效率的工作目标，为宽带集成光学系统的构建提供了解决方案。相关研究结果发表在光学领域高水平期刊Laser Photonics Reviews上，并被选为“封底论文”，同时被Wiley的官方公众号进行宣传报道。