10光束扫描技术

3.6光束扫描技术

光束扫描技术根据应用目的不同可分为两种类型：一种是光的偏转角连续变化的模拟式扫描，它能描述光束的连续位移；另一种是不连续的数字扫描，它是在选定空间的某些特定位置上使光束的空间位置“跳变”。前者主要用于各种显示，后者则主要用于光存储。

1. 机械扫描

机械扫描技术是目前最成熟的一种扫描方法。如果只需要改变光束的方向，既可采用机械扫描方法。机械扫描技术是利用反射镜或棱镜等光学元件的旋转或振动实现光束扫描。图1所示为一简单的机械扫描原理装置，激光束入射到一可转动的平面反射镜上，当平面镜转动时，平面镜反射的激光束的方向就会发生改变，达到光束扫描的目的。

机械扫描方法虽然原始，扫描速度慢，但其扫描角度大而且受温度影响小，光的损耗小，而且适用于各种光波长的扫描。因此，机械扫描方法在目前仍是一种常用的光束扫描方法。它不仅可以用在各种显示技术中，而且还可用在微型图案的激光加工装置中。

2. 电光扫描

电光扫描是利用电光效应来改变光束在空间的传播方向，其原理如图2所示。

图1 机械扫描装置示意图

图2 电光扫描原理图

光束沿y 方向入射到长度为L ，厚度为d 的电光晶体，如果晶体的折射率是坐标x 的线性函数，即

x

d

n

n x n ∆+

=)( (3.6-1)

用折射率的线性变化

dx

dn 代替了

d

n ∆，那么光束射出晶体后的偏转角θ 可根据折

射定律n ='θθsin /sin 求得。设1sin <<≈θθ，则

dx

dn L

d

n L

n -=∆-='=θθ (3.6-2)

式中的负号是由坐标系引进的，即θ 由y 转向x 为负。

图2所示的是根据这种原理作成的双KDP 楔形棱镜扫描器。它由两块KDP 直角棱镜组成，棱镜的三个边分别沿x '、y '和z 轴方向，但两块晶体的z 轴反向平行。光线沿方向传播y '且沿方x '向偏振。在这种情况下，

上部的A 线完全在上棱镜中传播，“经历”的折射率为x o o A E r n n n 633

2

1-=。

而在下棱镜中，B 线“经历”的折射率为x o o B E r n n n 633

2

1+=。于是上、下折射率

之差（A B n n n -=∆）为x o E r n 633。得

x o E r n d

L 633

=

θ

(3.6-3)

取 L =d =h =1cm ，r 63=10.5⨯10-12m ／V ，n o =1.51，V= 1000V ，则得 θ=35⨯10-7rad 。可见电光偏转角是很小的，很难达到实用的要求。

为了使偏转角加大，而电压又不致太高，因此常将若干个KDP 棱镜在光路上串联起来，构成长为mL 、宽为d 、高为h 的偏转器，如图3所示。两端的两块有一个角为β/2，中间的几块顶角为β的等腰三角棱镜，它们的z 轴垂直于图面，棱镜的宽度与z 轴平行，前后相邻的二棱镜的光轴反向，电场沿z 轴方向。各棱镜的折射率交替为n n o ∆-和n n o ∆+其中E

r n n o 633

21=

∆

。故光束通过扫描器后，

图2 双KDP 楔形棱镜扫描器

总的偏转角为每级（一对棱镜）偏转角的m 倍，即

hd

V

r mLn m o 633

=

=θθ总 (3.6-4)

一般m 为4～10，m 不能无限增加的主要原因是激光束有一定的尺寸，而h 的大小有限，光束不能偏出h 之外。

3.电光数字式扫描。

它是由电光晶体和双折射晶体组合而成，其结构原理如图4所示。图中S 为KDP 晶体，B 为方解石双折射晶体（分离棱镜），它能使线偏振光分成互相平行、振动方垂直的两束光，其间隔 b 为分裂度，ε为分裂角（也称离散角）。

上述电光晶体和双折射晶体就构成了一个一级数字扫描器，入射的线偏振光随电光晶体上加和不加半波电压而分别占据两个“地址”之一，分别代表“0”和“l ”状态。

若把n 个这样的数字偏转器组合起来，就能做到n 级数字式扫描。图5所示为一个三级数字式扫描器，使入射光分离为23个扫描点的情况。

x ' 图3 多级棱镜扫描器

图4 数字式扫描原理

要使可扫描的位置分布在二维方向上，只要用两个彼此垂直的n 级扫描器组合起来就可以实现。这样就可以得到2n ⨯2n 个二维可控扫描位置。

S 1 S 2 S 2

1 0 0

0 1 0

1 1 1 0 0 1 1 0 1

0 1 1

1 1 0

0 0 0

图5 三级数字式电光扫描器