11空间光调制器

4. 声光扫描

声光扫描器的结构与布拉格声光调制器基本相同，所不同之处在于调制器是改变衍射光的强度，而扫描器则是利用改变声波频率来改变衍射光的方向。

⑴声光扫描原理

从前面的声光布拉格衍射理论分析可知，光束以θi 角入射产生衍射极值应满足布喇格条件：s

B n λλθ2sin =，B d i θθθ==。布喇格角一般很小，可写为 s s

s B f v n 22λλλθ=≈ (3.6-5) 故衍射光与入射光间的夹角（偏转角）等于布拉格角θB 的2倍，即 s s B d i f nv λ

θθθθ==+=2 (3.6-6)

可以看出：改变超声波的频率f s ，就可以改变其偏转角θ，从而达到控制光束传播方向的目的。超声频率改变∆f s 引起光束偏转角的变化为

s s f nv ∆=∆λ

θ (3.6-7)

这可用图1及声光波矢关系予以说明。

⑵声光扫描器的主要性能参量

声光扫描器的主要性能参量有三个:

可分辨点数，它决定描器的容量。

偏转时间τ，其倒数决定扫描器的速度。

衍射效率ηs ，它决定偏转器的效率。

衍射效率前面已经讨论过。下面主要讨论可分辨点数、扫描速度和工作带宽的衍射光

声频为f s 的衍射光

k s s 图1 声光描器原理图

问题。

可分辨点数N 定义为偏转角∆θ和入射光束本身发散角∆φ之比，即

)(w R N λφ∆φ∆θ

∆== (3.6-8)

式中w 为入射光束的宽度；R 为常数，其值决定于所用光束的性质（均匀光束或高斯光束）和可分辨判据（瑞利判据或可分辨判据）。

上式可以写成

s f R

N ∆=11τ (3.6-10) τ

1N 称为声光扫描器的容量-速度积，它表征单位时间内光束可以指向的可分辨位置的数目。

声光扫描器带宽受两种因素的限制，即受换能器带宽和布喇格带宽的限制。因为声频改变时，相应的布喇格角也要改变，其变化量为

s s B f nv ∆=∆2λ

θ (3.6-11)

因此要求声束和光束具有匹配的发散角。声光扫描器一般采用准直的平行光束，其发散角很小，所以要求声波的发散角B δθδφ≥。

L

n f f s s s λλ2

2≤∆ (3.6-12)

有效波面 图2 列阵换能器 (a) (b)

实现超声跟踪的方法一般是采用一种所谓“列阵换能器”，即将换能器分成数片，使之进入声光介质的超声波是各换能器发出的超声波叠加合成，形成一个倾斜的波面，合成超声波的主方向随声波频率的改变而改变的。

这种结构就可以保证布拉格条件在较大频率范围内得以满足。列阵换能器的形式分为阶梯式和平面式两种。阶梯式结构如图2(a)所示，它是把声光介质磨成一系列阶梯，各阶梯的高差为λs /2，阶梯的宽度为 S ，各片换能器粘接在各个阶梯上，相邻两换能器间的相位差为π，因而每个换能器所产生的超声波波面间也有π弧度的相位差，使在介质中传播的声波等相面随之发生倾斜转动，其转动的角度是随频率而改变的。这样就相当于改变了入射光束的角度，使之满足布喇格条件。还有一种是平面结构，如图2(b)所示。两者]工作原理和前者基本相同

。

3.7 空间光调制器

前面所介绍的各种调制器是对一束光的“整体”进行作用，而且对与光传播方向相垂直的x y 平面上的每一点其效果相同。空间光调制器可以形成随x y 坐标变化的振幅（或强度）透过率),(),(0y x T A y x A =，或者形成随坐标变化的相位分布),(0),(y x i Te A y x A θ=，或者形成随坐标变化的不同的散射状态。顾名思义，这是一种对光波的空间分布进行调制的器件。

空间光调制器含有许多独立单元，它们在空间排列成一维或二维阵列，每个单元都可以独立地接受光信号或电信号的控制，并按此信号改变自身的光学性质（透过率、反射率、折射率等），从而对通过它的光波进行调制；控制这些单元光学性质的信号称为“写入信号”，写入信号可以是光信号也可以是电信号，射入器件并被调制的光波称为“读出光”；经过空间光调制器后的输出光波称为“输出光”。显然，写入信号应含有控制调制器各单元的信息，并把这些信息分别传送到调制器相应的各单元位置上改变其光学性质；若写入信号是光学信号时，通常表现为一个二维的光强分布的图像，通过一光学系统成像在空间光调制器的单元平面上，这个过程称为“编址”。当读出光通过调制器时，其光学参量（振幅、强度、相位或偏振态）就受到空间光调制器各单元的调制，结果变成了一束具有新的光学参量空间分布的输出光。这种器件可以应用于光学信息处理和光计算机中用作为图像转换、显示、存储、滤波。特别是为获得光学信息处理的优点，进行实时的二维并行处理就更需要实时的空间光调制器。本节简要介绍几种典型的空间光调制器。

1. 泡克耳读出光调制器

泡克耳读出光调制器（PROM ）是一种利用电光效应制成的光学编址型空间光调制器。其性能比较好，目前已得到实际的应用。

为了满足实时处理的要求，陆续出现了多种结构原理的器件，有的是把光敏

薄膜与铁电晶体结合起来；有的则利用本身具有光敏性能的光致导电晶体制成。其中硅酸铋（BSO ）晶体材料制成的空间光调制器得到了较快的发展，BSO 不但具有光电导效应，而且还具有线性电光效应。它的半波电压比较低，对λ=400~450nm 的蓝光较灵敏（光子能量较大），而对600nm 的红光（光子能量较小）的光电导效应很微弱。由于光敏特性随波长的剧烈变化，材料对蓝光敏感，对红光不敏感，所以可用蓝光作为写入光，用红光作为读出光，从而可减少读出光和写入光之间的互相干扰。

BSO －PROM 空间光调制器的结构示意图如图3所示。在BSO 晶体的两侧涂3μm 厚的绝缘层，最外层镀上透明电极就成为透射式器件。如果在写入一侧镀上双色反射层用以反射红光而透射蓝光，就构成反射式的器件。反射式结构不但能降低半波电压，而且消除了晶体本身旋光性的影响。

2. 液晶空间光调制器

液晶是一种有机化合物，一般由棒状柱形对称的分子构成，具有很强的电偶极矩和容易极化的化学团。对这种物质施加外场（电、热、磁等），液晶分子的排列方向和液晶分子的流动位置就会发生变化，即能改变液晶的物理状态。如对液晶施加电场，它的光学性质就发生变化，这就是液晶的电光效应。

比较典型的液晶空间光调制器是硫化镉（CdS ）向列相液晶光阀，其结构示意图如图4所示。

图3反射式硅酸铋空间光调制器结构示意图 l ，6透明电极； 2，5绝缘层；3双色反射层； 4硅酸铋晶体

I w

图4 硫化镉液晶光阀示意图：1.介质膜；2, 12.平板玻璃；3, 11.透明电极；4.,7.液晶分子取向膜层；5.液晶；6.隔圈； 8.多层介质膜反射镜；9.隔光层；10.光导层； 13.电源