液晶空間光調(diào)制器

1.機械掃描

機械掃描技術(shù)是目前最成熟的一種掃描方法。如果只需要改變光束的方向，即可采用機械掃描方法。機械掃描技術(shù)是利用反射鏡或棱鏡等光學(xué)元件的旋轉(zhuǎn)或振動實現(xiàn)光束掃描。

圖1所示為一簡單的機械掃描原理裝置，激光束入射到一可轉(zhuǎn)動的平面反射鏡上，當平面鏡轉(zhuǎn)動時，平面鏡反射的激光束的方向就會發(fā)生改變，達到光束掃描的目的。

入射光束

掃描光束

反射鏡

圖1機械掃描裝置示意圖

機械掃描方法雖然原始，掃描速度慢，但其掃描角度大而且受溫度影響小，光的損耗小，而且適用于各種光波長的掃描。因此，機械掃描方法在目前仍是一種常用的光束掃描方法。它不僅可以用在各種顯示技術(shù)中，而且還可用在微型圖案的激光加工裝置中。2.電光掃描

電光掃描是利用電光效應(yīng)來改變光束在空間的傳播方向，其原理如圖2所示。LdBAyxBA

光束的偏轉(zhuǎn)方向

圖2電光掃描原理圖

光束沿y方向入射到長度為L，厚度為d的電光晶體，如果晶體的折射率是坐標x的線性函數(shù)，即

用折射率的線性變化代替，偏轉(zhuǎn)角

可根據(jù)折射定律求得（）。

式中的負號是由坐標系引進的，即

由y轉(zhuǎn)向x為負。

圖3所示的是根據(jù)這種原理作成的雙KDP楔形棱鏡掃描器。它由兩塊KDP直角棱鏡組成，棱鏡的三個邊分別沿x

、y

和z軸方向，但兩塊晶體的z軸反向平行。光線沿方向傳播y

且沿方x

向偏振。外電場沿Z方向（橫向效應(yīng)）。

上部的A線完全在上棱鏡中傳播，“經(jīng)歷”的折射率為。而在下棱鏡中，B線“經(jīng)歷”的折射率為。于是上、下折射率之差（）為。得例題：取L=d=h=1cm，r63=10.5

10-12m／V，no=1.51，V=1000V。

為了使偏轉(zhuǎn)角加大，而電壓又不致太高，因此常將若干個KDP棱鏡在光路上串聯(lián)起來，構(gòu)成長為mL、寬為d、高為h的偏轉(zhuǎn)器，如圖4所示。則得

=35

10-7rad。可見電光偏轉(zhuǎn)角是很小的，很難達到實用的要求。

hn+

nn-

nn+

nn-

n

x

y

圖4多級棱鏡掃描器兩端的兩塊有一個角為

/2，中間的幾塊頂角為

的等腰三角棱鏡，它們的z軸垂直于圖面，棱鏡的寬度與z軸平行，前后相鄰的二棱鏡的光軸反向，電場沿z軸方向。

各棱鏡的折射率交替為和其中。故光束通過掃描器后，總的偏轉(zhuǎn)角為每級（一對棱鏡）偏轉(zhuǎn)角的m倍，

一般m為4～10，m不能無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.電光數(shù)字式掃描

由電光晶體和雙折射晶體組合而成，其結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。

圖中S為KDP晶體，B為方解石雙折射晶體（分離棱鏡），它能使線偏振光分成互相平行、振動方垂直的兩束光，其間隔b為分裂度，

為分裂角（也稱離散角）。縱向電光調(diào)制器及其工作原理

上述電光晶體和雙折射晶體就構(gòu)成了一個一級數(shù)字掃描器，入射的線偏振光隨電光晶體上加和不加半波電壓而分別占據(jù)兩個“地址”之一，分別代表“0”和“l(fā)”狀態(tài)。

若把n個這樣的數(shù)字偏轉(zhuǎn)器組合起來，就能做到n級數(shù)字式掃描。圖6所示為一個三級數(shù)字式掃描器，使入射光分離為23個掃描點的情況。

要使可掃描的位置分布在二維方向上，只要用兩個彼此垂直的n級掃描器組合起來就可以實現(xiàn)。這樣就可以得到2n

2n個二維可控掃描位置。

3.7空間光調(diào)制器yx

前面所介紹的各種調(diào)制器是對一束光的“整體”進行作用，而且對與光傳播方向相垂直的xy平面上的每一點其效果是相同的?？臻g光調(diào)制器可以形成隨xy坐標變化的振幅(或強度)透過率

A(x,y)＝A0T(x,y)或者是形成隨坐標變化的相位分布

A(x,y)＝A0Texp[iθ(x,y)]

或者是形成隨坐標變化的不同的散射狀態(tài)。顧名思義，這是一種對光波的空間分布進行調(diào)制的器件。它的英文名稱是SpatialLightModulator(SLM)?？臻g光調(diào)制器含有許多獨立單元，它們在空間排列成一維或二維陣列，每個單元都可以獨立地接受光信號或電信號的控制，并按此信號改變自身的光學(xué)性質(zhì)(透過率、反射率、折射率等)，從而對通過它的光波進行調(diào)制；控制這些單元光學(xué)性質(zhì)的信號稱為“寫入信號”，寫入信號可以是光信號也可以是電信號，射入器件并被調(diào)制的光波稱為“讀出光”；經(jīng)過空間光調(diào)制器后的輸出光波稱為“輸出光”。實時的二維并行處理。液晶空間光調(diào)制器

有些物質(zhì)不是直接由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，而是經(jīng)過一個過渡相態(tài)，這時，它一方面具有液體的流動性質(zhì)，同時又有晶體的特性(如光學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)的各向異性)，這種過渡相態(tài)稱之為“液晶”。液晶是一種有機化合物，一般由棒狀柱形對稱的分子構(gòu)成，具有很強的電偶極矩和容易極化的化學(xué)團。對這種物質(zhì)施加外場(電、熱、磁等)，液晶分子的排列方向和液晶分子的流動位置就會發(fā)生變化，即改變液晶的物理狀態(tài)。如對液晶施加電場，它的光學(xué)性質(zhì)就發(fā)生變化，這就是液晶的電光效應(yīng)。~IrIwIo123

45

6

7

8

9

1011

12硫化鎘液晶光閥示意圖：1.介質(zhì)膜；2,12.平板玻璃；3,11.透明電極；4.,7.液晶分子取向膜層；5.液晶；6.隔圈；8.多層介質(zhì)膜反射鏡；9.隔光層；10.光導(dǎo)層；13.電源13

第3章小結(jié) 調(diào)制：

激光調(diào)制：利用要傳遞的信息作為調(diào)制訊號去改變激光的某一參數(shù)，使其參數(shù)按調(diào)制信號的規(guī)律變化過程，參數(shù)振幅、強度、相位、頻率等。 強度調(diào)制

1.定義：利用調(diào)制信號去改變激光強度，使光強按調(diào)制信號的規(guī)律變化。

2.方法 電光調(diào)制：利用晶體的電光效應(yīng)和偏光的干涉原理使Ｉ——Ｖ變化

一般情況下，Ｉ和Ｖ不是線性關(guān)系。 只有在處近似線性，選擇工作點，加波片

在調(diào)制信號比較強時

含有高次諧波成分——為防此失真，消除高次諧波。

綜合考慮以上因素，選在之間 ＫＤＰ縱向運用 ＬＮ橫向運用，ｙ（ｘ＇）加場——ｚ向通光

聲光調(diào)制 調(diào)制信號 電功率 換能器 （注意逆壓電效應(yīng)和ｄ關(guān)系） 驅(qū)動源 超聲波 行波 駐波 聲光介質(zhì)聲光效應(yīng)彈性應(yīng)變正弦相位光柵 入射光衍射光衍射光強相應(yīng)地變化（強度調(diào)制） 喇曼——奈斯衍射——多級光 平面相位光柵 布拉格衍射

空間相位光柵 調(diào)制效率 直接調(diào)制——半導(dǎo)體激光器中用 相位調(diào)制 激光相位按調(diào)制信號的規(guī)律變化。 電光相位調(diào)制 光通過晶體時得到一附加相位，根據(jù)電光效應(yīng)，附加相位按調(diào)制信號的規(guī)律變化—只能有一束偏振光通過晶體 ＫＤＰ縱向運用，ｚ向加電場，ｙ＇偏振，z方向通光 相位調(diào)制的結(jié)果，光的頻譜發(fā)生變化，出現(xiàn)邊頻電光調(diào)制器：電場控制（克爾效應(yīng)或泡克耳斯效應(yīng)）磁光調(diào)制器（磁光效應(yīng)）聲光調(diào)制器：用超聲信號驅(qū)動時間調(diào)制器幅度大而有規(guī)律的光方向時間調(diào)制器可作光掃描器

幅度大而速度快的光強時間調(diào)制器