液晶空間光調(diào)制器實(shí)用教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1液晶液晶(yjng)空間光調(diào)制器空間光調(diào)制器第一頁，共23頁。 圖圖1所示為一簡單所示為一簡單(jindn)的機(jī)械掃描原理裝置，激光束的機(jī)械掃描原理裝置，激光束入射到一可轉(zhuǎn)動(dòng)的平面反射鏡上，當(dāng)平面鏡轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，平面鏡反入射到一可轉(zhuǎn)動(dòng)的平面反射鏡上，當(dāng)平面鏡轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，平面鏡反射的激光束的方向就會(huì)發(fā)生改變，達(dá)到光束掃描的目的。射的激光束的方向就會(huì)發(fā)生改變，達(dá)到光束掃描的目的。 入射光束 掃描光束 反射鏡 圖1 機(jī)械掃描裝置示意圖 機(jī)械掃描方法雖然原始，掃描速度慢，但其掃描角度大機(jī)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而且受溫度影響小，光

2、的損耗小，而且適用于各種光波長的掃描。因此，機(jī)械掃描方法在目前仍是一種掃描。因此，機(jī)械掃描方法在目前仍是一種(y zhn)常用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?？捎迷谖⑿蛨D案的激光加工裝置中。 第1頁/共23頁第二頁，共23頁。2. 電光電光(dingung)掃描掃描 電光掃描是利用電光效應(yīng)來改變光束在空電光掃描是利用電光效應(yīng)來改變光束在空間的傳播間的傳播(chunb)方向，其原理如圖方向，其原理如圖2所示所示。 L dBAy xBA光束的偏轉(zhuǎn)方向 圖2 電光掃描原理圖第2頁/共23頁第三

3、頁，共23頁。 光束沿光束沿y方向入射到長度為方向入射到長度為L，厚度為，厚度為d的電光晶的電光晶體，如果晶體的折射率是坐標(biāo)體，如果晶體的折射率是坐標(biāo)(zubio)x的線性的線性函數(shù)，即函數(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(fù)號(hào)是由坐標(biāo)系引進(jìn)的，即 由y轉(zhuǎn)向x為負(fù)。dxdndnnsin/sin1sindxdnLdnLn第3頁/共23頁第四頁，共23頁。 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(gè)邊分別沿x、y和z軸方向，但兩塊晶體(jngt)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

4、方向（橫向效應(yīng)）。第4頁/共23頁第五頁，共23頁。 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zooAErnnn63321zooBErnnn63321ABnnnxoErn633第5頁/共23頁第六頁，共23頁。例題例題(lt)：取取 L=d=h=1cm，r63=10.5 10-12mV，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(gè)KDP棱鏡在光路上串聯(lián)起來(q li)，構(gòu)成長為mL、寬為d、高為h的偏轉(zhuǎn)器，如圖4所示。則得則得 =3510-7rad?？梢婋姽馄D(zhuǎn)角是很

5、小的，很難?？梢婋姽馄D(zhuǎn)角是很小的，很難達(dá)到實(shí)用達(dá)到實(shí)用(shyng)的要求。的要求。 第6頁/共23頁第七頁，共23頁。h n+nn-nn+nn-n x y 圖4 多級(jí)棱鏡掃描器兩端的兩塊有一個(gè)角為/2，中間的幾塊頂角為的等腰三角棱鏡，它們(t men)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。第7頁/共23頁第八頁，共23頁。 各棱鏡的折射率交替為各棱鏡的折射率交替為 和和 其中其中 。故光束通過掃描器后，總的偏轉(zhuǎn)角為每級(jí)（一對(duì)棱鏡）偏。故光束通過掃描器后，總的偏轉(zhuǎn)角為每級(jí)（一對(duì)棱鏡）偏轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)角的m倍，倍，nnonnoErnno 63321 一般

6、m為410，m不能無限增加的主要(zhyo)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頁/共23頁第九頁，共23頁。 3.電光電光(dingung)數(shù)字式掃描數(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)(jigu)原理如圖5所示。 圖中圖中S為為KDP晶體，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相平行(pngxng)、振動(dòng)方垂直的兩束光，其間隔、振動(dòng)方垂直的兩束光，其間隔 b為分裂度，為分裂度，為分裂角（也稱離為分裂角（也稱離散角）。散角）。 第9頁/共23頁第十頁，共23頁。縱向電

7、光調(diào)制器及其工作縱向電光調(diào)制器及其工作(gngzu)原理原理 上述電光晶體上述電光晶體(jngt)和雙折射晶體和雙折射晶體(jngt)就構(gòu)成了一個(gè)一就構(gòu)成了一個(gè)一級(jí)數(shù)字掃描器，入射的線偏振光隨電光晶體級(jí)數(shù)字掃描器，入射的線偏振光隨電光晶體(jngt)上加和不加上加和不加半波電壓而分別占據(jù)兩個(gè)半波電壓而分別占據(jù)兩個(gè)“地址地址”之一，分別代表之一，分別代表“0”和和“l(fā)”狀態(tài)狀態(tài) 。第10頁/共23頁第十一頁，共23頁。 若把若把n個(gè)這樣的數(shù)字偏轉(zhuǎn)器組合起來，就能做到個(gè)這樣的數(shù)字偏轉(zhuǎn)器組合起來，就能做到n級(jí)數(shù)字式掃描級(jí)數(shù)字式掃描。圖。圖6所示為一個(gè)三級(jí)數(shù)字式掃描器，使入射光分離所示為一個(gè)三級(jí)數(shù)字式

8、掃描器，使入射光分離(fnl)為為23個(gè)掃個(gè)掃描點(diǎn)的情況。描點(diǎn)的情況。 要使可掃描的位置分布在二維方向要使可掃描的位置分布在二維方向(fngxing)上，只要用兩個(gè)彼此垂上，只要用兩個(gè)彼此垂直的直的n級(jí)掃描器組合起來就可以實(shí)現(xiàn)。這樣就可以得到級(jí)掃描器組合起來就可以實(shí)現(xiàn)。這樣就可以得到2n2n個(gè)二維可控掃個(gè)二維可控掃描位置。描位置。 第11頁/共23頁第十二頁，共23頁。3.7 空間空間(kngjin)光調(diào)制光調(diào)制器器yx 前面所介紹的各種調(diào)制器是對(duì)一束光的前面所介紹的各種調(diào)制器是對(duì)一束光的“整體整體”進(jìn)行作用，而且進(jìn)行作用，而且對(duì)與光傳播方向相垂直對(duì)與光傳播方向相垂直(chuzh)的的xy平面

9、上的每一點(diǎn)其效果是相同平面上的每一點(diǎn)其效果是相同的?？臻g光調(diào)制器可以形成隨的?？臻g光調(diào)制器可以形成隨xy坐標(biāo)變化的振幅坐標(biāo)變化的振幅(或強(qiáng)度或強(qiáng)度)透過率透過率 A(x,y)A0T(x,y)或者是形成隨坐標(biāo)變化或者是形成隨坐標(biāo)變化(binhu)的相位分布的相位分布 A(x,y)A0Texpi(x,y)第12頁/共23頁第十三頁，共23頁。 或者或者(huzh)是形成隨坐標(biāo)變化的不同的散射狀態(tài)。顧是形成隨坐標(biāo)變化的不同的散射狀態(tài)。顧名思義，這是一種對(duì)光波的空間分布進(jìn)行調(diào)制的器件。它的名思義，這是一種對(duì)光波的空間分布進(jìn)行調(diào)制的器件。它的英文名稱是英文名稱是Spatial Light Modulat

10、or(SLM)。 空間光調(diào)制器含有許多獨(dú)立單元，它們?cè)诳臻g排列成一空間光調(diào)制器含有許多獨(dú)立單元，它們?cè)诳臻g排列成一維或二維陣列，每個(gè)單元都可以獨(dú)立地接受光信號(hào)或電信號(hào)維或二維陣列，每個(gè)單元都可以獨(dú)立地接受光信號(hào)或電信號(hào)的控制，并按此信號(hào)改變自身的光學(xué)性質(zhì)的控制，并按此信號(hào)改變自身的光學(xué)性質(zhì)(透過率、反射率、透過率、反射率、折射率等折射率等)，從而對(duì)通過它的光波進(jìn)行調(diào)制；控制這些單元光，從而對(duì)通過它的光波進(jìn)行調(diào)制；控制這些單元光學(xué)性質(zhì)的信號(hào)稱為學(xué)性質(zhì)的信號(hào)稱為“寫入信號(hào)寫入信號(hào)”，寫入信號(hào)可以是光信號(hào)也可，寫入信號(hào)可以是光信號(hào)也可以是電信號(hào)，射入器件并被調(diào)制的光波稱為以是電信號(hào)，射入器件并被調(diào)制

11、的光波稱為“讀出光讀出光”；經(jīng)過；經(jīng)過空間光調(diào)制器后的輸出光波稱為空間光調(diào)制器后的輸出光波稱為“輸出光輸出光”。實(shí)時(shí)的二維并行。實(shí)時(shí)的二維并行處理。處理。第13頁/共23頁第十四頁，共23頁。液晶液晶(yjng)空間光空間光調(diào)制器調(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(gè)過渡相態(tài)，這時(shí)，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(gè)過渡相態(tài)，這時(shí)，它一方面具有液體的流動(dòng)它一方面具有液體的流動(dòng)(lidng)性質(zhì)，同時(shí)又有晶體的特性性質(zhì)，同時(shí)又有晶體的特性(如光學(xué)、如光學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)的各向異性力學(xué)、熱學(xué)的各向異性)，這種過渡相態(tài)稱之為，這種過渡相態(tài)稱之為“液晶液晶”。 液晶是一種有機(jī)化合物

12、，一般由棒狀柱形對(duì)稱的分子構(gòu)成，具有很液晶是一種有機(jī)化合物，一般由棒狀柱形對(duì)稱的分子構(gòu)成，具有很強(qiáng)的電偶極矩和容易極化的化學(xué)團(tuán)。對(duì)這種物質(zhì)施加外場強(qiáng)的電偶極矩和容易極化的化學(xué)團(tuán)。對(duì)這種物質(zhì)施加外場(電、熱、磁等電、熱、磁等)，液晶分子的排列方向和液晶分子的流動(dòng)，液晶分子的排列方向和液晶分子的流動(dòng)(lidng)位置就會(huì)發(fā)生變化，位置就會(huì)發(fā)生變化，即改變液晶的物理狀態(tài)。如對(duì)液晶施加電場，它的光學(xué)性質(zhì)就發(fā)生變化即改變液晶的物理狀態(tài)。如對(duì)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)。，這就是液晶的電光效應(yīng)。第14頁/共23頁第十五頁，共23頁。IrIwIo1 2 3 4 5 6 7 8

13、9 10 11 12硫化鎘液晶光閥示意圖：硫化鎘液晶光閥示意圖：1.介質(zhì)膜；介質(zhì)膜；2, 12.平板玻璃；平板玻璃；3, 11.透明電極透明電極；4.,7.液晶分子取向膜層；液晶分子取向膜層；5.液晶；液晶；6.隔圈；隔圈； 8.多層介質(zhì)膜反射鏡；多層介質(zhì)膜反射鏡；9.隔光層；隔光層；10.光導(dǎo)層；光導(dǎo)層； 13.電源電源13第15頁/共23頁第十六頁，共23頁。2.方法方法電光調(diào)制：利用晶體的電光效電光調(diào)制：利用晶體的電光效應(yīng)和偏光的干涉原理使應(yīng)和偏光的干涉原理使變化變化第16頁/共23頁第十七頁，共23頁。n一般情況下，和不是線性關(guān)系。一般情況下，和不是線性關(guān)系。n只有在只有在 處近似線性

14、，選擇工作點(diǎn)，加處近似線性，選擇工作點(diǎn)，加 波片波片nn在調(diào)制信號(hào)比較強(qiáng)時(shí)在調(diào)制信號(hào)比較強(qiáng)時(shí)nn含有高次諧波成分含有高次諧波成分為防此失真，消除高次諧波。為防此失真，消除高次諧波。nn綜合考慮綜合考慮(kol)以上因素，以上因素， 選在選在 之間之間n縱向運(yùn)用縱向運(yùn)用n橫向運(yùn)用，（）加場橫向運(yùn)用，（）加場向通光向通光第17頁/共23頁第十八頁，共23頁。聲光調(diào)制聲光調(diào)制調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)電功率電功率換能器換能器 （注意逆壓電效應(yīng)和關(guān)系）（注意逆壓電效應(yīng)和關(guān)系） 驅(qū)動(dòng)源驅(qū)動(dòng)源 超聲波超聲波 行波行波 駐波駐波聲光介質(zhì)聲光介質(zhì) 聲光效應(yīng)聲光效應(yīng) 彈性應(yīng)變彈性應(yīng)變 正弦正弦(zhngxin)相位光柵相

15、位光柵入射光入射光 衍射光衍射光 衍射光強(qiáng)相應(yīng)地變化（強(qiáng)度衍射光強(qiáng)相應(yīng)地變化（強(qiáng)度調(diào)制）調(diào)制）喇曼喇曼奈斯衍射奈斯衍射 多級(jí)光多級(jí)光平面相位光柵平面相位光柵 布拉格衍射布拉格衍射 第18頁/共23頁第十九頁，共23頁。第19頁/共23頁第二十頁，共23頁。電光電光(dingung)調(diào)制器：電場控制調(diào)制器：電場控制（克爾效應(yīng)或泡克耳斯效應(yīng)）（克爾效應(yīng)或泡克耳斯效應(yīng)）磁光調(diào)制器（磁光效應(yīng)）磁光調(diào)制器（磁光效應(yīng)）聲光調(diào)制器：用超聲信號(hào)聲光調(diào)制器：用超聲信號(hào)(xnho)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)時(shí)間時(shí)間(shjin)調(diào)制器調(diào)制器幅度大而有規(guī)律的光方向時(shí)間調(diào)制器可作光掃描器幅度大而有規(guī)律的光方向時(shí)間調(diào)制器可作光掃描器 幅度大而速度快的光強(qiáng)時(shí)間調(diào)制器可作幅度大而速度快的光強(qiáng)時(shí)間調(diào)制器可作光開關(guān)光開關(guān) 空間調(diào)制器：光強(qiáng)、偏振態(tài)或相位等隨空間各點(diǎn)而變化空間調(diào)制器：光強(qiáng)、偏振態(tài)或相位等隨空間各點(diǎn)而變化，進(jìn)行調(diào)制，可產(chǎn)生光強(qiáng)的某種空間分布。，進(jìn)行調(diào)制，可產(chǎn)