液晶空间光调制器

1、3.6 3.6 光束扫描技术光束扫描技术 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。 1. 机械扫描机械扫描 机械扫描技术是目前最成熟的一种扫描方法。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，即可采用机械扫如果只需要改变光束的方向，即可采用机械扫描方法。描方法。 机械扫描技术是利用反射镜或棱镜等光学元件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。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

2、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。 入射光束 扫描光束 反射镜 图1 机械扫描装置示意图 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 电光扫描是利用电光效应来改变光束在空电光扫描是利用电光效应来改变光束在空间的传播方向，其原理如图间的传播方向，其原理如图2所示。所示。 l dbay xba光束的偏转方向

3、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xdnnxn)( 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。dxdndnnsin/sin1sindxdnldnln 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棱镜的三个边分别沿x 、y 和和z轴方向轴方向，但两块晶体的但两块晶体的z轴反向平行轴反向平行。光线沿方向传播y且沿方x向偏振。外电场沿外电场沿z方向（横向效应）方向（横向效应）。 上部的a线完全在上棱

4、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zooaernnn63321zoobernnn63321abnnnxoern633zoerndl633例题：例题：取取 l=d=h=1cm，r63=10.5 10-12mv，no=1.51，v= 1000v。 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。则得则得 =35 10-7rad。可见电光偏转角是很小的，很。可见电光偏转角是很小的，很难达到实用的要求。难达到实用的要求。 h n+nn-nn+nn-n

5、x 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。 各棱镜的折射率交替为各棱镜的折射率交替为 和和 其其中中 。故光束通过扫描器后，总的偏转角为每级。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（一对棱镜）偏转角的m倍，倍，nnonnoernno 63321hdvrmlnmo 633总 一般m为410，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

6、如图5所示。 图中图中s为为kdp晶体，晶体，b为方解石双折射晶体（分离棱镜），它能使线偏振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，为分裂度， 为分裂角为分裂角（也称离散角）。（也称离散角）。 纵向电光调制器及其工作原理纵向电光调制器及其工作原理 vviitio2sin2sin22 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，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

7、个“地址地址”之一，分别代表之一，分别代表“0”和和“l”状态状态 。 若把若把n个这样的数字偏转器组合起来，就能做到个这样的数字偏转器组合起来，就能做到n级数字式级数字式扫描。图扫描。图6所示为一个三级数字式扫描器，使入射光分离为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。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彼此垂直的n级扫描器组合起来就可以实现。这样就可以级扫描器组合起来就可以实现。这样就可以得到得到2n 2n个二维可控扫描位置。个二维可控扫描位置。 3.7 空间光调制器空间光调制器yx 前面

8、所介绍的各种调制器是对一束光的前面所介绍的各种调制器是对一束光的“整体整体”进行作用，进行作用，而且对与光传播方向相垂直的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。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空间光调制器可以形成随xy坐标变化的振幅坐标变化的振幅(或强度或强度)透过率透过率 a(x,y)a0t(x,y)或者是形成随坐标变化的相位分布或者是形成随坐标变化的相位分布 a(x,y)a0texpi(x,y) 或者是形成随坐标变化的不同的散射状态。顾名思义，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。它的英文名这是一种

9、对光波的空间分布进行调制的器件。它的英文名称是称是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信号的控制，并按此信号改变自身的光学性质(透过率、反透过率、反射率、折射率等射率、折射率等)，从而对通过它的光波进行调制；控制这，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些单元光学性质的信号称为“写入信号写入信号”，写入信号可以，写入信号可

10、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“读出光读出光”；经过空间光调制器后的输出光波称为；经过空间光调制器后的输出光波称为“输出输出光光”。实时的二维并行处理。实时的二维并行处理。液晶空间光调制器液晶空间光调制器 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性(如光学、力学、热学的各向异性如光学、力学、热学的各向异性)，这种过渡相态称之为，这种过渡相态称之为“液晶液晶

11、”。 液晶是一种有机化合物，一般由棒状柱形对称的分子构成，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场(电、热、磁等电、热、磁等)，液晶分子的排列方向和液晶分子的流动位，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，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。它的光学性质就发生变化，这就是液晶的电光效应。iriwio1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12硫化镉

12、液晶光阀示意图：硫化镉液晶光阀示意图：1.介质膜；介质膜；2, 12.平板玻璃；平板玻璃；3, 11.透明电极；透明电极；4.,7.液晶分子取向膜层；液晶分子取向膜层；5.液晶；液晶；6.隔圈；隔圈； 8.多层介质膜反射镜；多层介质膜反射镜；9.隔隔光层；光层；10.光导层；光导层； 13.电源电源1320( )(1sin)cos2pmcii tmtt1pm 200011sin(1 cos )(1 cos)222viiiivvni调 制 信 号变实 现 光 强 调 制2v=v14011 sin()2viiv130112()sin2()sin32mmmmvvijtjtivv212mmvvmvvm

13、vv1022880sfd千赫sf2spkp0( , )sin()ssn x tnnk xt 0( , )cossinssn x tnnk xt( , )x t( , )n x t0s 改变02n lv011,ii i2( )mmijsinism 2sil2is0i20cos2iii1i2212sinsin ()22iisliiim ph2(3 4)sil212sin ()2siilm pih00smpsnvi 调制信号( )(cossin)ccme tatmt,2ccmcm 电光调制器：电场控制电光调制器：电场控制（克尔效应或泡克耳斯效应）（克尔效应或泡克耳斯效应）磁光调制器（磁光效应）磁光调制器（磁光效应）声光调制器：用超声信号驱动声光调制器：用超声信号驱动时间调制器时间调制器幅度大而有规律的光方向时间调制器可作光扫描器幅度大而有规律的光方向时间调制器可作光扫描器 幅度大而速度快的光强时间调制器可幅度大而速度快的光强时间调制器可作光开关作光开关 空间调制器：光强、偏振态或相位等随空间各点而变化，空间调制器：光强、