3.6 光束扫描技术

1. 3.6 光束扫描技术 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。

2. 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。

3. 反射镜 扫描光束 入射光束 图1 机械扫描装置示意图 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。

4. x L A A 光束的偏转方向 d  B B y 图2 电光扫描原理图 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。

5. 用折射率的线性 变化代替 ， 偏转角 可根据折射定律 求得（ ）。 式中的负号是由坐标系引进的，即由y转向x为负。 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

6. 图3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。外电场沿Z方向（横向效应）。图3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。外电场沿Z方向（横向效应）。

7. 上部的A线完全在上棱镜中传播，“经历”的折射率为 。而在下棱镜中，B线“经历”的折射率为 。于是上、下折射率之差（ ）为 。得

8. 例题： 取 L=d=h=1cm，r63=10.510-12m／V，no=1.51，V= 1000V。 则得  =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4所示。

9. n-n n-n x h  n+n n+n y 图4 多级棱镜扫描器 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。

10. 各棱镜的折射率交替为 和 其中 。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， 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。

11. 3.电光数字式扫描 由电光晶体和双折射晶体组合而成，其结构原理如图5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，为分裂角（也称离散角）。

12. 纵向电光调制器及其工作原理 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 。

13. 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6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。 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。

14. y x 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 A(x,y)＝A0T(x,y) 或者是形成随坐标变化的相位分布 A(x,y)＝A0Texp[iθ(x,y)]

15. 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”。实时的二维并行处理。

16. 液晶空间光调制器 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。

17. 13 ~ Ir Iw Io 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 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

18. 第3章小结 调制： 激光调制：利用要传递的信息作为调制讯号去改变激光的某一参数，使其参数按调制信号的规律变化过程，参数振幅、强度、相位、频率等。 强度调制 1.定义：利用调制信号去改变激光强度，使光强按调制信号的规律变化。 2.方法 电光调制：利用晶体的电光效应和偏光的干涉原理使Ｉ——Ｖ变化

19. 一般情况下，Ｉ和Ｖ不是线性关系。 只有在 处近似线性，选择工作点，加 波片 在调制信号比较强时 含有高次谐波成分——为防此失真，消除高次谐波。 综合考虑以上因素， 选在 之间 ＫＤＰ纵向运用 ＬＮ横向运用，ｙ（ｘ＇）加场——ｚ向通光

20. 声光调制 调制信号 电功率 换能器 （注意逆压电效应　和ｄ关系） 驱动源 超声波 行波 驻波 声光介质 声光效应 弹性应变 正弦相位光栅 入射光 衍射光 衍射光强相应地变化（强度调制） 喇曼——奈斯衍射—— 多级光 平面相位光栅 布拉格衍射

21. 空间相位光栅 调制效率 直接调制——半导体激光器中用 相位调制 激光相位按调制信号的规律变化。 电光相位调制 光通过晶体时得到一附加相位，根据电光效应，附加相位按调制信号的规律变化—只能有一束偏振光通过晶体 ＫＤＰ纵向运用，ｚ向加电场，ｙ＇偏振，z方向通光 相位调制的结果，光的频谱发生变化，出现边频

22. 电光调制器：电场控制 （克尔效应或泡克耳斯效应） 时间调制器 磁光调制器（磁光效应） 声光调制器：用超声信号驱动 幅度大而速度快的光强时间调制器可作光开关 幅度大而有规律的光方向时间调制器可作光扫描器 空间调制器：光强、偏振态或相位等随空间各点而变化，进行调制，可产生光强的某种空间分布。

23. x 45°偏振片 反射镜 y 空间调制器特点：增强输入图像，将非相干光图像转换为相干光图像。 液晶显示原理

24. 读出光输入 写入光 偏振分光棱镜 A B C D E F 调制光输出 A B 导电膜 C 液晶层 D 介质反射镜 E 光阻挡层 F 光电导层 液晶光阀