(光存储原理与应用)第三章光扫描与光调制技术

第三章光扫描与光调制技术一、光扫描技术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。思考你学过的专业知识里，如何构造可用于光扫描的技术方案？旋转多面镜反射镜鼓是由n个矩形面镜组成的棱柱，它绕棱柱轴转动。摆镜摆动时镜面只能转动不发生位移；转鼓转时，镜面除转动外还有位移。若入射光束宽度为定值，则当镜鼓转动时因镜面唯一可能会使扫描区边缘部分的入射光束不能全部进入视场而产生渐晕现象。机械式扫描思考：能否利用电光效应实现光扫描？2.电光扫描电光偏转：利用泡克耳斯效应，通过施加在电光晶体上的电场来改变晶体的折射率。偏转角：假设置于空气中的棱镜n０，激光入射角为，则由折射定律可以得到在电光晶体上施加电场后，晶体折射率的改变量为n。由于泡克耳斯效应引起的折射率变化n极小(10-4量级)，所以出射光偏转角的相应改变量为因此出射光偏转角的改变量与折射率变化成线性关系！从而可以利用外加电压控制光线的前进方向0sin()sinn0arcsin(sin)n00{arcsin[()sin]}[arcsin(sin)]nnnn思考，如何在不改变入射光角度下实现扫描？电光扫描实际的电光晶体偏转器是由两个晶体棱镜(如KDP棱镜)所组成。外加电场沿图示z轴方向，但对两个晶体外加电场符号正好相反，此时光的折射率为光经过双电光棱镜总折射率变化总角度变化3063ABznnnnE300632AznnnE300632BznnnE3063znnnE下下上上思考：该方案优缺点如何？怎样增大扫描范围？例如：取L=d=h=1cm，r63=10.510-12m／V，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，如下图所示。则得=3510-7rad。可见电光偏转角是很小的，很难达到实用的要求。电光扫描一个电光偏转器所能获得的偏转角很小,很难满足实际应用的要求例如:时,为增加偏转角，而外加电压又不太高，常将若干个KDP棱镜串接下图的结构。1Ldhcm1000zEVd73510rad其中的棱镜2、3、……11、12均为等腰直角棱镜，可以把其中每个棱镜等效地看成由两个光楔拼合而成。306312Vnd总＝＝12思考：串联的数目受什么因素限制？思考：如何将电光扫描用于光存储系统？思考：如何实现电光数字式扫描？电光数字式扫描x'y'450y电光数字式扫描由电光晶体和双折射晶体组合而成，其结构原理如图所示。图中S为KDP晶体，B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b为分裂度，为分裂角（也称离散角）。S上加半波电压则光线在紫色位置，不加电压则在红色位置，实现从红色到紫色的跳变式扫描光轴思考：从该原理出发，如何构造一个八位数字式电光扫描器？000、001、010…若把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。图6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。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2n2n个二维可控扫描位置。思考：这8路扫描输出，分别对应什么二进制电信号？110011101思考：类比电光扫描系统，能否利用声光效应构造一个光扫描系统？3.声光扫描声光效应:由于声波是纵波又是疏密波，因此声波在介质中传播时，会引起介质密度（折射率）周期性的变化，可将此声波视为一种条纹光栅，光栅的栅距等于声波的波长，当光波入射于声光栅时，发生光的衍射。驻波的振幅按照正弦规律变化，所以介质的折射率以空间周期s在空间呈正弦变化。图所示为一块均匀的透明介质如熔融石英，其一端为超声发生器(作正弦振动)。只有满足布拉格条件的入射光对应的衍射光才最强图超声波在透明介质中的传播2sinsn声光扫描如图所示，当光线在满足布拉格条件的衍射角入射到光栅上时，衍射光也与衍射体光栅的等折射率面成出射由于可以近似得到:声光偏转角式中s为声波的频率，vs为声波在器件中的传播速率。布拉格条件下的衍射s2sn2sssssnnn思考：如何实现声光模拟式扫描和数字式扫描？常用的光束扫描技术机械式扫描--平面镜扫描--棱镜扫描--光楔扫描电光扫描--双KDP棱镜扫描--电光数字式扫描声光扫描二、光调制与解调光调制：通过改变光波的振幅、强度、相位、频率或偏振等参数，使传播的光波携带信息的过程按调制元件应用的物理效应分为电光调制、声光调制、磁光调制；按调制光波的参量可分为振幅调制、频率调制、相位调制等。按调制的形式分模拟调制、数字调制和脉冲调制以数字式为例思考，为何扫描和调制可以使用相同的光学原理？光信号调制格式光的全部物理参数都能用作信号调制的变量强度、相位、频率、偏振等光信号调制形式模拟调制脉冲调制数字调制光调制的物理现象电光调制一、电光效应当晶体受电压作用时，晶体的折射率会发生变化，引起通过晶体的光波特性发生变化，称晶体的电光效应。当晶体的折射率与外加电场幅度成线性变化时，称为线性电光效应，即普科尔效应。当晶体的折射率与外加电场幅度的平方成比例变化时，称为非线性电光效应，即克尔效应。电光调制器主要利用晶体的普科尔效应。思考如何利用电光效应实现模拟式光调制如何实现数字式光调制二、电光强度模拟信号调制猜测1/4波片的作用（2）电致折射率的变化：折射率的变化与电场大小成正比。3x0063z3y0063zze1nnnγE21nnnγE2nnyχχ´y450α,思考：参照电光模拟调制原理，如何实现数字式电光调制？三、数字式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，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。此时用不用四分之一波片，为什么？（不用四分之一玻片，光就不能通过检偏器，能够显示0和1）思考：如何实现数字式电光相位调制？信号调制对11010011这样一个数据阵列，强度调制如图所示，请试着画出频率调制和相位调制的形式信号调制强度频率相位电光相位调制z´χ´y´L思考：调制后的信号如何解调？思考：如何设计一个偏振复用器空间光调制器-全息存储使用的光调制技术yx前面所介绍的各种调制器是对一束光的“整体”进行作用，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。空间光调制器可以形成随xy坐标变化的振幅(或强度)透过率A(x,y)＝A0T(x,y)或者是形成随坐标变化的相位分布A(x,y)＝A0Texp[iθ(x,y)]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。它的英文名称是SpatialLightModulator(SLM)。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信号的控制，并按此信号改变自身的光学性质(透过率、反射率、折射率等)，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“写入信号”，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“读出光”；经过空间光调制器后的输出光波称为“输出光”。实时的二维并行处理。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(如光学、力学、热学的各向异性)，这种过渡相态称之为“液晶”。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。对这种物质施加外场(电、热、磁等)，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，它的光学性质就发生变化，这就是液晶的电光效应。~IrIwIo123456789101112硫化镉液晶光阀示意图：1.介质膜；2,12.平板玻璃；3,11.透明电极；4.,7.液晶分子取向膜层；5.液晶；6.隔圈；8.多层介质膜反射镜；9.隔光层；10.光导层；13.电源13电光调制器：电场控制（克尔效应或泡克耳斯效应）磁光调制器（磁光效应）声光调制器：用超声信号驱动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速度快的光强时间调制器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，进行调制，可产生光强的某种空间分布。机械式扫描要点总结掌握数字式电光扫描原理（电光晶体+双折射晶体）了解可用于光扫描和光调制的原理