16光电子技术课件16：光束扫描技术

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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。
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。
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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2n2n个二维可控扫描位置。
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3. 声光扫描
通过改变声波频率来改变衍射光的方向，使 之发生偏转，既可以是光束连续偏转，也可以是 分离的光点扫描偏转。
1 3 n no r63 E 2
。故光束通过扫描器后，总
的偏转角为每级（一对棱镜）偏转角的m倍，
3 m Lno r63V 总 m hd
(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。
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3.电光数字式扫描
由电光晶体和双折射晶体组合而成。
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。
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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，即可采用 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。
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b
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、振动方向垂直的两束光，其间隔 b 为分裂度，为分裂角（也称离散角）。
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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 。
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一种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。
反射镜
扫描光束
入射光束
图1 机械扫描装置示意图
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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。
dn dx
n d
(3.6-2) 式中的负号是由坐标系引进的，即 由 y 转向 x 为负。
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n dn n L L d dx
• 可见，只要晶体在电场的作用下，沿某 些方向的折射率发生变化，那么当光束 沿着特定方向入射时，就可以实现光束 扫描。 • 光束偏转角的大小与晶体折射率的线性 变化率成正比。
可以用于图像转换、显示、存储、滤波。
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• 3.7.1泡克耳读出光调制器
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3.7.2 液晶空间光调制器 (了解)
有些物质不是直接由固态变为液态，而是经过一个 过渡相态，这时，它一方面具有液体的流动性质，同时 又有晶体的特性(如光学、力学、热学的各向异性)，这 种过渡相态称之为“液晶”。 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。
A(x,y)＝A0T(x,y)
y
或者是形成随坐标变化的相位分布 A(x,y)＝A0Texp[iθ(x,y)]
x
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或者是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。它 的英文名称是Spatial Light Modulator(SLM)。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”。
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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y传播且沿方向x偏振。外电场沿Z方向 （横向效应）。
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上部的A线完全在上棱镜中传播，“经历” 的折射率为
1 3 n A no no r63 E z 2
。而在下棱镜中，B
1 3 nB 线“经历”的折射率为 no no r63 Ez 2
。于是上、
下折射率之差（ n nB n A 得
3 ）为 no r63 Ex 。
L 3 no r63 E z d
(3.6-3)
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例：
取 L=d=h=1cm，r63=10.510-12m／V，no=1.51， V= 1000V，则得 =3510-7rad。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。
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两端的两块有一个角为/2，中间的几块顶角 为的等腰三角棱镜，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。
n-n h n+n n+n n-n x

y
图4 多级棱镜扫描器
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各棱镜的折射率交替为 no n 和 no n 其中
布喇格方程：
B fs 2ns 2n s
2 B fs n s
偏转角：
超声频率改变Δfs引 起光束偏转角的变 f s 化为: n s
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3.7 空间光调制器
(了解)
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xy平面上的每一点其效果是相同的。空间光调制器可以形 成随xy坐标变化的振幅(或强度)透过率
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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。
x A
B L
A
y B
光束的偏转方向
d

图2 电光扫描原理图
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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 n (3.6-1) n( x ) n x
d
用折射率的线性 变化代替 ， 偏转角 可根据折射定律 sin / sin n 求得 sin 1