第四节 激光偏转技术

　　激光偏转技术是激光应用于显示、记录和光存储的基本技术之一。目前实现光偏转的主要方法有机械偏转、电光偏转和声光偏转。

　　评价光偏转器的性能，可从三个方面：①扫描速度要满足快速记录和显示的要求；②偏转角θ的大小，应根据激光扫描的范围去确定；③偏转光的分辨力或在扫描范围内可发辨的点数N（它决定偏转的容量），定义为总偏转角θ和光束本身的发散角之比。即

　　N＝θ／θ_散　　　　　　　　　　　　（20－66）

　　式中θ_散若等于衍射最小分辨角时，根据瑞利判据有：

　　θ_散＝ελ／D　　　　　　　　　　　　（20－67）

　　式中：λ为光波波长；D为光束直径；ε是取决于光束截面的形状和强度分布的常数。

一、机械偏转法

　　这种方法是利用反射镜或棱镜等光学元件的旋转或振动，来改变反射光和折射光的方向而实现的偏转。图20－30为一振镜扫描器示意图，压电激励器1，其一端用石英细丝2连结一个小反射镜3，当激励振动时，小平面镜发生振转运动，使入射的调制激光束经反射后在A处做圆周扫描，再经光导纤维扫描变换器的转换，在B端输出一直线扫描光束。图20－34为一转镜扫描器示意图，高速旋转的多面反射镜，将使激光束做扇形扫描。



图20－33

　　上述机械偏转法优点是偏转角较大，光能损失小，与波长无关，受温度的影响小等等。这是目前其它方法难以实现的，所以是一种常用的偏法。它不仅可应用于各种显示技术中，而且若把偏转技术与被照物体的移动结合起来，还能做成微型图案的激光加工装置。其缺点是偏转扫描速度较慢，机械零部件加工精度要求较高。



图20－34

二、电光偏转法

　　1．电光偏转原理。电光晶体在外加电场作用下，可改变某此方向上的折射率，当光束通过时，就可使其方向发生偏转。用图20－35可说明其原理，晶体长度为L，厚度为d，光束沿y方向入射晶体，设晶体折射率沿x方向变化，其线性变化率为dn/dx，令x=0处折射率为n，则x=d时的折射率应为n+Δn，其中Δn为在厚度d上折射率的变化量。现以A、B为代表分析其变化情况：



图20－35

　　对光线A而言，对应x=d，折射率为n+Δn，因此它穿过晶体L所需时间为：

　　T_A=L/c(n+Δn)　　　　　　　　　　　　（20－68）

　　对光线B，因对应x=0,折射率为n，它穿过晶体L所需时间为：

　　T_B=L/c·n　　　　　　　　　　　　　　（20－69）

　　由于两者在晶体中的时间不同，A比B就要落后一段距离Δy，即

　　Δy＝c/n(T_A-T_B)=LΔn/n　　　　　　（20－70）

　　因此，在晶体出射面处光束的波阵面就发生偏转，其偏转角

　　θ＇=Δy/d=-LΔn/dn　　　　　　　　　　　　　　　　（20－71）

　　根据菲涅耳定律：

　　sinθ/sinθ＇=n

　　当θ角很小时，将θ=nθ＇代入（20－71）式则有：

　　θ=-Ldn/dx　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（20－72）

　　由此可见，只要晶体在电场的作用下，使某些方向的折射率发生变化，当光束沿着特定方向入射时，将产生偏转，其偏转角的大小与晶体折射率的线性变化率成正比。

　　2．双磷酸二氢钾楔形棱镜偏转器。图20－36表示一个由两块磷酸二氢钾楔形棱镜组成的电光偏转器。棱镜各边分别同x＇、y＇和z轴方向，且两棱镜z轴方向相反，沿着z轴方向外加电场，光沿着y＇轴方向传播，其偏振方向同x＇轴方向。



图20－36

　　已知，沿着z轴加电场时，在x＇、y＇和z方向的折射率分别为

　　nx＇=n₀-1/2n₀³γ₆₃E_z

　　ny＇=n₀+1/2n₀³γ₆₃E_z

　　nz＇=n_e　　　　　　　　　　　　（20－73）

　　由于上部分光线A完全在上棱镜中传播，其折射率为：

　　n_A=nx＇=n₀-1/2n₀³γ₆₃E_z　　（20－74）

　　而下部分光线B完全在下层楼镜中传播，因电场方向与z轴相反，则

　　n_B=ny＇=n₀+1/2n₀³γ₆₃E_z　　（20－75）

　　所以上下折射率之差为：

　　Δn＝n_A－n_B=-n₀³γ₆₃E_z　　（20－76）

　　则光束穿过偏转器后的偏转角为：

　　θ=1/dn₀³γ₆₃E_z=1/dhn₀³γ₆₃V_z　　（20－77）

　　式中h为z方向的晶体宽度。

　　由此可见，当外加电压发生变化时，偏转角将成比例地随着变化，从而可以控制光线的前进方向。

　　例如，对于磷酸二氢钾电光偏转器，L=d=h=1cm,γ₆₃=10.5×10^-10cm/V；n₀=1.51；V_z=1000V。

　　代入（20－77）式算得θ=35×10^-7rad。



图20－37

　　由于用单个棱镜作为偏转器其偏转角太小，很难达到实际应用要求。为了使偏转角加大，而电压又不要太高常将若干个磷酸二氢钾棱镜构成多级棱镜偏转器，如图20－37所示。棱镜的厚度方向与晶体的z轴平行，前后相邻的二棱镜的z轴方向相反，沿z轴方向加电场，光束垂直入射，偏振方向平行h。各棱镜的折射率交替地为（n₀－δ）和（n₀＋δ）。故光束通过过L之后的总偏转角为：

　　θ_总＝mθ=Ln₀³γ₆₃V_z/hdV_z　　（20－78）

　　一般m为4－10，θ_总为几分。

三、声光偏转法

　　声光相互作用的另一重要应用是使光束偏转，而声光偏转器就是利用改变声波频率的方法使工作于布喇格条件的光束发生偏转。

　　当声光介质的厚度L较大而超声波长λ_s较小时，光束以布喇格角入射介质产生衍射极值，应满足布喇格条件：

　　θ_i=θ_d=θ_B

　　sinθ_B=λ/2λ_s

　　由于布喇格角较小，可表示为：

　　θ_i=θ_d=θ_B＝λ/2λ_s＝λ/2v_sf_s　　（20－79）

　　即入射角和衍射角相等且与超声波频率f_s成正比。由于光束偏转角θ为衍射光和入射光的夹角，则：

　　θ=θ_i+θ_d=2θ_B=λ/v_s·f_s　　（20－80）

　　由上式可以看出，改变超声的频率f_s，其偏转角θ将发生变化，从而达到控制光束传播方向的目的。即当超声波频率改变Δf_s时，偏转角的变化为Δθ，由（20－80）式则有：

　　Δθ＝λ/v_sΔf_s　　　　　　　　　　（20－81）

　　图20－38为声波频率的改变引起衍射光偏转角改变的原理图。（20－71）式所表示的关系，可用图20－38及声光波矢量关系予以说明。



图20－38

　　设声波频率为f_s时，声光衍射满足布喇格条件，则声光波矢量关系如上图为闭合等腰三角形。衍射极值沿着与超声波面成θ_d角的方向。若声波频率变为f_s＋Δf_s，则根据K_s＝2πf_s/v_s的变化，当ΔK_s的值不很大时，可以认为由此而引起的衍射光波矢量K_d方向的变化为

　　Δθ＝ΔK_s/K_d=2πΔf_s/v_s·λ/2π=λ/v_sΔf_s　　（20－82）

　　如果光束直径为D，波长为λ，则光束发散角θ＝ελ/D，由于ε≈1，则可分辨的点数为：

　　N=Δθ/θ_散=λΔf_s/v_s·D/λ=(D/v_s)·Δf_s=τ·Δf_s　　（20－83）

　　式中τ＝D/v_s，表示声波穿过光束直径所需要的时间，称为渡越时间。当光束宽度和声速决定后，参数τ就确定了。因而只有增加带宽才能提高偏转器的分辨点数N。

[时间：2001-12-11  作者：许鑫　杨皋  来源：《印刷应用光学》·第二十章 激光技术]