,西南科技大学,School of Science,Southwest University,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,西南科技大学,School of Science,Southwest University,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,西南科技大学,School of Science,Southwest University,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,西南科技大学,School of Science,Southwest University,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,西南科技大学,School of Science,Southwest University,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,西南科技大学,School of Science,Southwest University,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,光电子技术,Photoelectronic Technique,第九讲,光束扫描技术,周自刚,本讲主要内容,一、机械扫描,二、电光扫描,三、声光扫描,27,光束扫描技术是指对激光光束方向准确掌握和定位的技术。,该技术被广泛应用于多个领域，如：激光雷达、激光显示、光信息存储和处理以及自由空间光通信等。,光束扫描技术,机械式扫描,微机电式扫描,纯电控非机械式扫描,旋转平面反射镜,、三棱镜等,电光扫描,声光扫描,全息,液晶,电光效应,声光效应,一、机械扫描,26,超市使用的手持旋转棱镜条码扫描器构造示意图,在扫描光路中，每一个平面镜和棱形旋转镜的多个镜面6个组合形成某一个方向上的多条扫描线。三个平面镜和旋转镜面的组合构成三个方向上的多线扫描。而扫描光点经平面镜、旋转镜面原路返回，再由复合物镜会聚到光电探测器上。,实例,1,假设只需要转变光束的方向，可承受机械扫描方法。,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。,一、机械扫描,25,实例,2,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转变，到达光束扫描的目的。,入射光束,扫描光束,反射镜,机械扫描装置示意图,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。,一、机械扫描,24,入射光束,扫描光束,反射镜,机械扫描装置示意图,一、机械扫描,由于有较大的惯性，当转镜转速确定后，它可视作为单一频率的偏转器，由光的,反射定律,知偏转光束的扫描角速度是转镜旋转角速度的,两倍,。这类光偏转器的优点是,偏转线性好,、,通光口径大,、,偏转速率高,等。,23,电光扫描是利用电光效应来转变光束在空间传播方向。,L,d,B,A,y,x,B,A,光束的偏转方向,电光扫描原理图,二、电光扫描,22,光束沿y方向入射到长度为L，厚度为d的电光晶体，假设晶体的折射率是坐标x的线性函数，即,用折射率的线性 变化代替,二、电光扫描,设,则,偏转角 可依据折射定律,负号是由坐标系引进的，即,由,y,转向,x,为负。,21,L,d,B,A,y,x,B,A,光束的偏转方向,一种双KDP楔形棱镜扫描器由两块KDP直角棱镜组成，棱镜的三个边分别沿x、y和z轴方向，但两块晶体的z轴反向平行，其他两轴取向一样。光线沿y方向传播且沿x方向偏振。外电场沿Z方向横向电光效应。,二、电光扫描,d,z,E,y,x,入射光,双,KDP,楔形棱镜扫描器,20,上部的A线完全在上棱镜中传播，“经受”的折射率为,二、电光扫描,由于下棱镜中电场方向与z轴反向，故B线“经受”的折射率为,于是上、下局部的折射率之差,得,d,z,E,y,x,入射光,双,KDP,楔形棱镜扫描器,19,举例：,取,L,=,d,=,h,=1,cm,，,63,=10.5,10,-12,m,V,，,n,o,=1.51,，,V=1000,V,。,解：依据公式：,二、电光扫描,计算获得光束的偏转角,。,可见电光偏转角是很小的，很难到达有用的要求。,得,18,为了使偏转角加大，而电压又不致太高,二、电光扫描,常将假设干个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。,17,h,mL,d,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。,二、电光扫描,16,n,-,n,n,-,n,h,n,+,n,x,y,n,+,n,z,E,z,实际应用时一般,m,取,4,10,二、电光扫描,其中,各棱镜的折射率交替为,和,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m倍,15,由于激光束有肯定的尺寸，而h的大小有限，光束不能偏出h之外。,为什么,m,不能,无限取？,电光数字式扫描,由,电光晶体,和,双折射晶体,组合而成。,S为KDP晶体，B为方解石双折射晶体分别棱镜，它能使线偏振光分成相互平行、振动方垂直的两束光，其间隔b为分裂度，为分裂角也称离散角。,二、电光扫描,入射光,r,S,B,V,/2,e,o,b,数字式扫描原理,14,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个“地址”之一，分别代表“,0,”,和“,l,”,状态。,电光数字式扫描,二、电光扫描,13,入射光,r,S,B,V,/2,e,o,b,数字式扫描原理,1,0,S,假设把n个这样的数字偏转器组合起来，就能做到n级数字式扫描。一个三级数字式扫描器，使入射光分别为23个扫描点。,电光数字式扫描,二、电光扫描,S,1,B,1,S,2,B,2,S,3,B,3,1 0 0,0 1 0,1 1 1,0 0 1,1 0 1,0 1 1,1 1 0,0 0 0,三级数字式电光扫描器,12,S,1,S,2,S,3,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,n,级扫描器组合起来就可以实现。这样就可以得到,2,n,2,n,个二维可控扫描位置。,电光数字式扫描,二、电光扫描,11,三、声光扫描,声光扫描器的构造与布拉格声光调制器根本一样，所不同之处在于调制器是转变衍射光的强度，而扫描器则是利用转变声波频率来转变衍射光的方向。,10,三、声光扫描,光束以i 角入射产生衍射极值应满足布拉格条件,声光扫描原理,布拉格角一般很小,和,衍射光与入射光间的夹角偏转角等于布拉格角B的2倍,即,9,三、声光扫描,转变超声波的频率fs，就可转变偏转角，到达掌握光束传播方向的目的。,声光扫描原理,超声频率转变fs引起光束偏转角的变化为,i,d,声频为,f,s,+,f,s,的衍射光,声频为,f,s,的衍射光,i,d,O,k,s,k,s,k,d,k,i,B,A,声光扫描器原理,8,三、声光扫描,A、可区分点数N,(2),性能参量,偏转角,和入射光束本身发散角,之,比,w为入射光束的宽度光束的直径；R为常数，打算于所用光束的性质均匀光束或高斯光束和可区分判据瑞利判据或可区分判据。,可区分点数的作用：打算扫描器的容量,7,三、声光扫描,(2),性能参量,案例一：显示或记录用的扫描器，瑞利判据,R,=1.01.3,案例二：光存储器用的扫描器，瑞利判据,R,=1.82.5,则扫描可区分点数为,A、可区分点数N,6,三、声光扫描,(2),性能参量,超声波渡越时间，用,表示，也就是扫描器的偏转时间,B,、偏转时间,偏转时间的作用：其倒数(1/)打算扫描器的速度,5,三、声光扫描,C,、工作带宽,f,s,(2),性能参量,由,声光扫描器的工作带宽与容量-速度积成正比。,其中容量-速度积表征单位时间内光束可以指向的可区分位置的数目。,工作带宽的作用：打算扫描器的区分率,4,三、声光扫描,(2),性能参量,例题：,假设在光存储器中入射光束直径为1cm，声速为4105cm/s，当可区分点数为200时，需要扫描器的工作带宽是多少？,解答：,由条件,其超声波渡越时间为,该器件的工作带宽为,3,在高速摄影机、微型图激光加工、显示器、打印机等中有,机械扫描技术,；,在连续偏转器、数字偏转器、智能识别和物联网中有,电光扫描技术,；,在雷达、光点检流计、光学图像记录及显示等中有,声光扫描技术,。,三种扫描特点及相应应用领域,学问补充,2,机械扫描：偏转线性好、通光口径大、偏转速率高,电光扫描：扫描速度快，可控性好，体积小，重量轻，灵敏度高，无惯性,声光扫描：消光比高,(,一般大于,1000:1),，驱动功率低，温度稳定性优良，光点质量好，光束偏转角度大,本讲小结,1、机械扫描的根本原理反射定律及其特征,1,2、电光扫描的根本原理横向电光效应，双KDP棱镜扫描器的特征折射率变化转变光的变化，以及三级数字式电光扫描的特征和规律,3、声光扫描中根本原理布拉格条件，声频率转变光衍射方向，可区分点数、偏转时间、工作带宽等性能参量的特点、相互关系,启发：,用到电光和声光扫描技术时，就要考虑电光效应和声光效应的特点。,