液晶空间光调制器PPT学习教案

1、会计学1 液晶空间光调制器液晶空间光调制器 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。 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。 第1页/共23页 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

2、 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 d B A y x B A 光束的偏转方向 图2 电光扫描原理图 第2页/共23页 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 x d n nxn )( 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。 dx dn d n nsin/sin1sin dx dn L d n Ln 第3页/共23页 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

3、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）。 第4页/共23页 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 zooA Ernnn 63 3 2 1 zooB Ernnn 63 3 2 1 AB nnn xo Ern 63 3 zo Ern d L 63 3 第5页/共23页 例题：例题： 取取 L=d=h=1cm，r63=10.5 10-12mV，no=1.51， V= 1000V。

4、 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。 第6页/共23页 h n+n n-n n+n n-n 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。 第7页/共23页 各棱镜的折射率交替为各棱镜的折射率交替为 和和 其中其中 。故光束通过扫描器后，总

5、的偏转角为每级（一对棱镜）偏。故光束通过扫描器后，总的偏转角为每级（一对棱镜）偏 转角的转角的m倍，倍， nnonno Ernn o 63 3 2 1 hd VrmLn m o 63 3 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。 第8页/共23页 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，其间隔振光分成互相平行、振动方垂直的

6、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）。 第9页/共23页 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 V V I I T i o 2 sin 2 sin 22 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，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 两个两个“地址地址”之一，分别代表之一，分别代表“0”和和“l”状态状态 。 第10页/共23页 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

7、起来，就能做到n级数字级数字 式扫描。图式扫描。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。这样就可级扫描器组合起来就可以实现。这样就可 以得到以得到2n 2n个二维可控扫描位置。个二维可控扫描位置。 第11页/共23页 3.7 空间光调制空间光调制 器器 y x 前面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

8、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同的。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)透过透过 率率 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) 第12页/共23页 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，这是一种对光波的空间分布进行调制的器件。它的英文 名称是名称是Spatial Ligh

9、t 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

10、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。 第13页/共23页 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 特性特性(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”。 液晶是一种有机化合物，一般

11、由棒状柱形对称的分子构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 施加外场施加外场(电、热、磁等电、热、磁等)，液晶分子的排列方向和液晶分子的，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。应。 第14页/共23页 Ir Iw Io 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

12、 硫化镉液晶光阀示意图：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.隔光层；隔光层；10.光导层；光导层； 13.电源电源 1 3 第15页/共23页 2 0 ( )(1sin)cos 2 pmc I I tmtt1 p m 2 000 11 sin(1 cos )(1 cos) 222 V IIII V 第16页/共23页 一般情况下，和不是线性关系。一般情况下，和不是线性关系。 只有在只有在 处近似线性，

13、选择工作点，加处近似线性，选择工作点，加 波片波片 在调制信号比较强时在调制信号比较强时 含有高次谐波成分含有高次谐波成分为防此失真，消除高次谐波。为防此失真，消除高次谐波。 综合考虑以上因素，综合考虑以上因素， 选在选在 之间之间 纵向运用纵向运用 横向运用，（）加场横向运用，（）加场向通光向通光 VnI调 制 信 号变实 现 光 强 调 制 2 V=V 1 4 0 1 1 sin() 2 V II V 13 0 1 12()sin2()sin3 2 mm mm VVI JtJt IVV 2 1 2 mm VV m VV m V V 102 第17页/共23页 声光调制声光调制 调制信号调制

14、信号 电功率电功率换能器换能器 （注意逆压电效应和关系）（注意逆压电效应和关系） 驱动源驱动源 超声波超声波 行波行波 驻波驻波 声光介质声光介质 声光效应声光效应 弹性应变弹性应变 正弦相位光栅正弦相位光栅 入射光入射光 衍射光衍射光 衍射光强相应地变化（强度调制）衍射光强相应地变化（强度调制） 喇曼喇曼奈斯衍射奈斯衍射 多级光多级光 平面相位光栅平面相位光栅 布拉格衍射布拉格衍射 2880 s f d 千赫 s f 2 s Pkp 0 ( , )sin() ss n x tnnk xt 0 ( , )cossin ss n x tnnk xt ( , )x t( , )n x t 0 S

15、改变0 2n L V 011 ,II I 2 ( ) mm IJ sin i s m 2 s i l 2 i s 0 I 2 0 cos 2 i II 1 I 22 12 sinsin () 22 iis L IIIM P H 第18页/共23页 2 (3 4) s i l 2 1 2 sin () 2 s i IL M P IH 00sm PSnvI 调制信号 ( )(cossin) ccm e tAtmt ,2 ccmcm 第19页/共23页 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幅度大而速度快的光强时间调制器 可作光开关可作光开关 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、偏振态或相位等