Diffraktive optische Elemente (abgekürzt DOE) sind optische Elemente zur Formung eines Lichtstrahls, häufig in Form eines Laserstrahls. Das physikalische Prinzip ist die Beugung (auch Diffraktion genannt) an einem optischen Gitter.
Diffraktive optische Elemente sind Glasträger, auf die durch Fotolithografie Mikrostrukturen aufgebracht werden. In ihnen kommt es durch unterschiedliche optische Weglängen der Teilstrahlen zu Phasenmodulationen, wodurch Interferenzmuster entstehen. Zusätzlich wird durch konstruktive und destruktive Überlagerung die Amplitude moduliert. So lassen sich durch geschickte Auslegung die Intensitätsmuster in einem Laserstrahl manipulieren. DOEs können zwei Aufgaben erfüllen: sie können einen Laserstrahl formen (englisch beam shaping) oder in mehrere Teilstrahlen zerlegen (engl. {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value)).
Die Mikrostruktur im DOE kann den Strahl durch den Brechungsindex oder durch Höhenmodulation formen. Gute Bauelemente erreichen dabei Wirkungsgrade von 80–99 % und Transmissionsgrade von 95–99 %.
Diffraktive optische Elemente finden inzwischen zahlreich Anwendung in verschiedensten Bereichen, unter anderem in Fototechnik, Medizin, Fahrzeugtechnik, Multimediabereiche, Bildverarbeitung, Lichtschnittmessung, sowie als Sicherheitstechniken bei Dokumentenpapieren. DOEs können mittlerweile in solch hoher Qualität hergestellt werden, dass sie mit Hochleistungslasern für industrielle Anwendungen eingesetzt werden. Hier werden sie hauptsächlich zur Strahlformung und Strahlteilung eingesetzt.
In der Fertigungstechnik werden DOEs an Stelle von konventionellen refraktiven Linsen eingesetzt, um die Intensitätsverteilung zu modulieren. Die normale Verteilung der Strahlintensität eines Laserstrahls über den Strahldurchmesser ist in etwa gleich dem einer Gauß'schen Glockenkurve. Dies ist für einige Fertigungsprozesse (z. B. Laserbohren) ungünstig, da am Rand des Strahls die Intensität zur Bildung von Plasma nicht ausreicht, das zum Laserbohren durch Verdampfen nötig ist. Stattdessen erwärmt der reduzierte Energieanteil das Material und führt zu Schmelzbädern, die die Qualität der Bohrung reduzieren. Deshalb benötigt man eine möglichst gleichmäßige Intensitätsverteilung über den gesamten Strahldurchmesser. Diffraktive optische Elemente können genau dies leisten, da sie vielfältige Intensitätsverteilungen erzeugen können.
DOEs haben einige Vorteile gegenüber der Strahlformung durch Masken:
Das einfachere Gesamtsystem ist aber gleichzeitig auch ein Nachteil, da die eingesetzten diffraktiven optischen Elemente für einen spezielleren Zweck gefertigt sind als herkömmliche Optiken. Dadurch sind sie teurer und auch nicht so flexibel einsetzbar wie konventionelle Bauteile.
Ein hyalisches Fenster ist das durchsichtige Feld auf einem Kunststoffgeldschein. Die Fenster, die für das diffraktive optische Element vorgesehen sind, weisen einen optisch milchigen Film auf. Dieser sichtbare Film ist eine Mikrostruktur, die nur mit einem Laser entschlüsselt werden kann. Es können auch erhabene Zahlen, Buchstaben oder Warenzeichen im hyalischen Fenster auftreten, die aber keinerlei DOE-Funktionen haben.
Mittels dieser Technik ist es möglich, Logos, das Nominal einer Banknote, Warenzeichen usw. in eine Trägerfolie einzuarbeiten. Was bei Papier als Wasserzeichen bekannt wurde, wird hier per Laserstrahl auf eine Fläche projiziert. Die Herstellung eines diffraktiven optischen Elements ist ebenso aufwändig wie ein Wasserzeichen und bisher als sehr fälschungssicher zu betrachten.
Das DOE-Bild kann mit einfachen Hilfsmitteln sichtbar gemacht werden: Mit einem handelsüblichen Laserpointer projiziert man einen Laserstrahl auf eine ebene weiße Wand. In den Laserstrahl hält man den Kunststoffgeldschein so, dass der Strahl durch das milchige hyalische Fenster fällt. Durch leichtes Hin- und Herbewegen sollte ein klares Bild auf der Wand sichtbar werden.
Seit geraumer Zeit wird diese Technik bei Kunststoffgeldscheinen als Sicherheitsmerkmal angewendet. Banknoten folgender Länder besitzen bereits dieses Sicherheitsmerkmal:
Computer-generierte Hologramme werden in der Technik zunehmend eingesetzt, um diverse Aufgaben zu erfüllen: Abbildung von Alignmentstrukturen, Herstellung von nichtlinearen Linsen, Formung von Strahlverteilungen (Beamshaper), Logo-Darstellung in der Lasertechnik.
Diffraktive optische Elemente werden in einzelnen Objektiven (Nikon PF-Objektive und Canon DO-Objektive mit „Mehrfachbeugungsglied“) für Spiegelreflexkameras eingesetzt. Ziel ist die Minimierung chromatischer Aberrationen bei gleichzeitig kompakterer und leichterer Konstruktion der Objektive.