CN103713403A - 基于顺电相钽铌酸钾晶体电控偏转特性的二维光学扫描系统及方法 - Google Patents
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Abstract
基于顺电相钽铌酸钾晶体电控偏转特性的二维光学扫描系统及方法，属于非线性光学领域。二维光学扫描系统由第一顺电相钽铌酸钾晶体、第二顺电相钽铌酸钾晶体和二分之一玻片组成，第一顺电相钽铌酸钾晶体和第二顺电相钽铌酸钾晶体的[100]、[010]和[001]方向与直角坐标系的x、y、z轴相对应，z轴为光学对称轴，沿z值增大方向依次为第一顺电相钽铌酸钾晶体、二分之一玻片和第二顺电相钽铌酸钾晶体。本发明以顺电相钽铌酸钾晶体为基础，利用其电控二次电光效应实现入射光的偏转，并其通过调节施加在晶体表面的外加电压直接控制激光束的偏转方向，从而实现二维空间扫描。
Description
技术领域
本发明属于非线性光学领域，涉及一种基于顺电相钽铌酸钾晶体电控偏转特性的二维光学扫描系统及利用其进行二维光学扫描的方法。
背景技术
光学扫描技术在光计算、光纤通信、光盘存储、光电技术、光学图象处理及精密测量等现代科技的许多领域中广泛应用。
传统的光学扫描技术是基于机械式光学振镜开发而成的。振镜是一种优良的矢量扫描器件，它是一种特殊的摆动电机，基本原理是通电线圈在磁场中产生力矩，但与旋转电机不同，其转子上通过机械纽簧或电子的方法加有复位力矩，大小与转子偏离平衡位置的角度成正比，当线圈通以一定的电流而转子发生偏转到一定的角度时，电磁力矩与回复力矩大小相等，故不能象普通电机一样旋转，只能偏转，偏转角与电流成正比。这种扫描技术虽然是目前比较成熟的光学扫描技术，但由于其采用机械式的偏转方法，其响应速度、偏转精度、回程误差等必然要受到限制。
随着相关技术的发展，近年来基于液晶的光学扫描技术得到了较快的发展。其扫描原理是液晶具有双折射特性和电控特性，当向液晶盒施加一个较小的电压时(1～10 V)，液晶分子的取向将发生一定的变化，导致液晶总体折射率发生变化，从而对入射光的相位进行调制，进而控制入射光束的偏转方向，达到光束方向控制的目的。液晶具有双折射范围广、波带宽、驱动电压低等优点。用液晶作为工作介质制造的液晶衍射元件或空间光调制器件，运用全电、非惯性扫描技术，因而具有功耗低、体积小、重量轻、可以电寻址、无机械磨损、控制精度高、能提高有效载荷的优点。但由于其工作原理的限制，其响应时间最好也只能达到微秒量级，并且由于其工作物质为液晶，其最大通过功率受到了限制，并且其旁瓣效应也是不可避免的。
声光扫描技术是一种非机械式光学扫描技术。其原理是超声波经过液体时，液体的折射率会发生正弦或余弦调制形成光栅，当有光束入射时会在光栅作用下产生衍射光，衍射光偏转角与声波频率成线性关系。由于声波频率的改变能通过电子电路和压电换能器实现，所以可以达到很高的速度，而且因为不存在机械惯性的作用能够很快地稳定于一个指定频率，所以这种扫描器件具有很高的随机寻访能力，适合用于快速随机扫描。例如，在生物显微成像中可以用于记录视野内多个感兴趣点毫秒量级以上的快速功能信号的变化。但是由于声光扫描器的频率带宽有限而且带宽边缘的衍射效率急剧衰减。普通声光扫描器的扫描角为2度左右，导致这种器件用于扫描系统时所能达到的视场仅为传统机械式扫描系统的1/4。
电光扫描技术是利用电场对电光材料折射率的控制而实现光学偏转的扫描技术。在外加电场作用下，电光材料通过线性或二次电光效应，其折射率随外加电场呈一次或二次变化，这时入射光照射到电光材料上其传播方向会发生相应的改变，从而实现光学扫描。和目前广泛应用的机械振镜扫描、液晶扫描以及声光扫描等技术相比，电光扫描技术由于是利用在电光材料上施加外电场实现扫描，因而可以实现激光的非机械、无惯性扫描，在响应速度和灵敏性等方面优势显著。目前较为典型的电光材料为铌酸锂晶体(LN)、锆钛酸铅镧陶瓷( PLZT)、GaAs等，这些材料的响应时间都较短（纳秒量级），但由于他们的电光系数较小，因此他们的尺度和外加电压的要求都较高，难以实际应用。
顺电相钽铌酸钾晶体（Kta1-xNbxO3,简称KTN）是目前已知的具有最大二次电光系数的电光晶体，由于具有二次电光系数大、电场响应速度快（几个纳秒）等优点，其在光学传输和信息处理领域具有广泛的应用前景。
发明内容
为了解决现有二维扫描技术扫描频率不够高的缺点，本发明提出一种基于顺电相钽铌酸钾晶体电控偏转特性的二维光学扫描系统及利用其进行二维光学扫描的方法，以顺电相钽铌酸钾晶体为基础，利用其电控二次电光效应实现入射光的偏转，并其通过调节施加在晶体表面的外加电压直接控制激光束的偏转方向，从而实现二维空间扫描。
本发明的基于顺电相钽铌酸钾晶体电控偏转特性的二维光学扫描系统由第一顺电相钽铌酸钾晶体、第二顺电相钽铌酸钾晶体和二分之一玻片组成，第一顺电相钽铌酸钾晶体和第二顺电相钽铌酸钾晶体的[100]、[010]和[001]方向与直角坐标系的x、y、z轴相对应，z轴为光学对称轴，沿z值增大方向依次为第一顺电相钽铌酸钾晶体、二分之一玻片和第二顺电相钽铌酸钾晶体。
本发明的基于顺电相钽铌酸钾晶体电控偏转特性的二维光学扫描技术，具体过程如下：
步骤一、将两块利用提拉法生长出来的顺电相钽铌酸钾晶体沿[100]、[010]和[001]方向切割成长方体，之后对各个面进行抛光。
步骤二、将两块晶体的[100]、[010]和[001]方向与直角坐标系的x、y、z轴相对应，这时z轴为两块晶体的光学对称轴，沿z值增大方向依次为第一顺电相钽铌酸钾晶体和第二顺电相钽铌酸钾晶体。
步骤三、分别在第一顺电相钽铌酸钾晶体的两个相对应的平行于y-z面的表面和第二顺电相钽铌酸钾晶体的两个相对应的平行于x-z面的表面上镀上金属电极并引出金属导线，为施加外电场做准备。
步骤四、通过控制环境温度，使得晶体的温度高于晶体从铁电相到顺电相的居里温度1-20摄氏度。
步骤五、在两块晶体之间插入一片二分之一玻片，z轴为其光学对称轴。
步骤六、使偏振方向平行于x轴的线偏振激光沿着z轴正方向正入射进入第一顺电相钽铌酸钾晶体，这时在第一顺电相钽铌酸钾晶体的两个相对应的平行于y-z面的表面施加电压，通过改变施加在第一顺电相钽铌酸钾晶体上的电压就可以控制入射光束的出射方向，实现y轴方向的一维扫描。当激光从第一顺电相钽铌酸钾晶体中出射后进入二分之一玻片，通过调整玻片光轴方向，使得激光的偏振方向旋转90度，然后照射到第二顺电相钽铌酸钾晶体上，这时在第二顺电相钽铌酸钾晶体的两个相对应的平行于x-z面的表面施加电压，通过改变施加在第二顺电相钽铌酸钾晶体上的电压就可以控制入射光束的出射方向，实现x轴方向的一维扫描，这样就可以通过调节施加在第一顺电相钽铌酸钾晶体和第二顺电相钽铌酸钾晶体上的电压，实现x-y平面内的二维扫描。
上述方法中，所述第一顺电相钽铌酸钾晶体和第二顺电相钽铌酸钾晶体的电极方向相互垂直。
上述方法中，所述步骤一中顺电相钽铌酸钾晶体的温度要控制在高于其居里温度5度内。
采用本发明方法制作的光学扫描系统具有体积小、成本低、加工简单、响应速度快的优点，这些优点使得其应用领域非常广阔。
附图说明
图1为具体实施方式一的原理图。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1所示，本实施方式中的基于顺电相钽铌酸钾晶体电控偏转特性的二维光学扫描系统由第一顺电相钽铌酸钾晶体2、第二顺电相钽铌酸钾晶体4和二分之一玻片3组成，第一顺电相钽铌酸钾晶体2和第二顺电相钽铌酸钾晶体4的[100]、[010]和[001]方向与直角坐标系的x、y、z轴相对应，z轴为光学对称轴，沿z值增大方向依次为第一顺电相钽铌酸钾晶体2、二分之一玻片3和第二顺电相钽铌酸钾晶体4。
利用上述扫描系统进行二维光学扫描的方法，具体过程如下：
步骤一、将两块利用提拉法生长出来的居里温度在10-30摄氏度的第一顺电相钽铌酸钾晶体2和第二顺电相钽铌酸钾晶体4沿[100]、[010]和[001]方向切割成长方体，之后对各个面进行抛光。
步骤二、将两块晶体的[100]、[010]和[001]方向与直角坐标系的x，y，z轴相对应，这时z轴为两块晶体的光学对称轴，沿z值增大方向依次为第一顺电相钽铌酸钾晶体2和第二顺电相钽铌酸钾晶体4。
步骤三、分别在第一顺电相钽铌酸钾晶体2的两个相对应的平行于y-z面的abcd面和efgh面及第二顺电相钽铌酸钾晶体4的两个相对应的平行于x-z面的jkpo和ilmn面上镀上金属电极并引出金属导线，为施加外电场做准备。
步骤四、通过控制环境温度，使得晶体的温度高于晶体从铁电相到顺电相的居里温度1-20摄氏度的范围内。
步骤五、在两块晶体之间插入一片二分之一玻片3， z轴为其光学对称轴。
步骤六、使从激光器1出射的偏振方向平行于x轴的线偏振激光沿着z轴正方向正入射进入第一顺电相钽铌酸钾晶体2，这时在第一顺电相钽铌酸钾晶体2的两个相对应的平行于y-z面的abcd面和efgh面上施加电压，通过改变施加的电压就可以控制入射光束的出射方向，实现y轴方向的一维扫描。当线偏振的激光从第一顺电相钽铌酸钾晶体2中出射后进入二分之一玻片3后，通过调整二分之一玻片3的光轴方向，使得线偏振激光的偏振方向旋转90度，然后照射到第二顺电相钽铌酸钾晶体4上，这时在第二顺电相钽铌酸钾晶体4的两个相对应的平行于x-z面的jkpo和ilmn面上施加电压，通过改变施加的电压就可以控制入射光束的出射方向，实现x轴方向的一维扫描，这样就可以通过调节施加在第一顺电相钽铌酸钾晶体2和第二顺电相钽铌酸钾晶体4上的电压实现x-y平面内的二维扫描。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，步骤一中所用的第一顺电相钽铌酸钾晶体2的尺寸为1.50(ab)×2.00(af)×4.00(ad)立方毫米, 第二顺电相钽铌酸钾晶体4的尺寸为2.00(ij)×1.50(in)×4.00(il)立方毫米。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一、二不同的是，步骤一中所用顺电相钽铌酸钾晶体的居里温度为20摄氏度，晶体温度为21.5摄氏度。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一、二、三不同的是，步骤三中在顺电相钽铌酸钾晶体表面镀钛作为电极，这样可以保证在外电场作用下，通过二次电光效应，在电场方向上产生线性变化的折射率梯度，实现入射光的偏转。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一、二、三不同的是，步骤三中在顺电相钽铌酸钾晶体表面涂银胶作为电极，这样可以保证在外电场作用下，通过二次电光效应，在电场方向上产生线性变化的折射率梯度，实现入射光的偏转。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一、二、三、四不同的是，激光器1为半导体激光器，其输出波长为532.0纳米，光强为5.00毫瓦。二分之一玻片3的适用波长为532.0纳米，其光轴方向平行于x-y平面，并与x轴成45度角。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五不同的是，激光器1为氦-氖激光器，其输出波长为632.8纳米，光强为3.00毫瓦。二分之一玻片3适用波长为632.8纳米，其光轴方向平行于x-y平面，并与x轴成45度角。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式五不同的是，激光器1为半导体激光器，其输出波长为671纳米,光强为7.00毫瓦。二分之一玻片3适用波长为671纳米，其光轴方向平行于x-y平面，并与x轴成45度角。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一～七不同的是，步骤五中第一顺电相钽铌酸钾晶体2的两个相对应的平行于y-z面的abcd面和efgh面和第二顺电相钽铌酸钾晶体4的两个相对应的平行于x-z面的jkpo和ilmn面之间施加外电场为0到500V/mm，偏离x轴和偏离y轴方向的偏转角度在0到1.5度之间变化。
除上述具体实施方式外，在外电场作用下，利用顺电相钽铌酸钾晶体和二分之一玻片，通过二次电光效应，使得入射光在传播中实现二维扫描的技术方案均在本说明书的保护范围内。
Claims (10)
1.基于顺电相钽铌酸钾晶体电控偏转特性的二维光学扫描系统，其特征在于所述二维光学扫描系统由第一顺电相钽铌酸钾晶体、第二顺电相钽铌酸钾晶体和二分之一玻片组成，第一顺电相钽铌酸钾晶体和第二顺电相钽铌酸钾晶体的[100]、[010]和[001]方向与直角坐标系的x、y、z轴相对应，z轴为光学对称轴，沿z值增大方向依次为第一顺电相钽铌酸钾晶体、二分之一玻片和第二顺电相钽铌酸钾晶体。
2.根据权利要求1所述的基于顺电相钽铌酸钾晶体电控偏转特性的二维光学扫描系统，其特征在于所述第一顺电相钽铌酸钾晶体的两个相对应的平行于y-z面的表面和第二顺电相钽铌酸钾晶体的两个相对应的平行于x-z面的表面上镀有金属电极。
3.根据权利要求2所述的基于顺电相钽铌酸钾晶体电控偏转特性的二维光学扫描系统，其特征在于所述第一顺电相钽铌酸钾晶体和第二顺电相钽铌酸钾晶体的电极方向相互垂直。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于顺电相钽铌酸钾晶体电控偏转特性的二维光学扫描系统，其特征在于所述第一顺电相钽铌酸钾晶体和第二顺电相钽铌酸钾晶体为利用提拉法生长出来的顺电相钽铌酸钾晶体沿[100]、[010]和[001]方向切割成的长方体。
5.基于顺电相钽铌酸钾晶体电控偏转特性的二维光学扫描方法，其特征在于所述扫描方法步骤如下：
步骤一、将两块利用提拉法生长出来的顺电相钽铌酸钾晶体沿[100]、[010]和[001]方向切割成长方体，之后对各个面进行抛光；
步骤二、将两块晶体的[100]、[010]和[001]方向与直角坐标系的x、y、z轴相对应，z轴为两块晶体的光学对称轴，沿z值增大方向依次为第一顺电相钽铌酸钾晶体和第二顺电相钽铌酸钾晶体；
步骤三、分别在第一顺电相钽铌酸钾晶体的两个相对应的平行于y-z面的表面和第二顺电相钽铌酸钾晶体的两个相对应的平行于x-z面的表面上镀上金属电极并引出金属导线；
步骤四、通过控制环境温度，使得晶体的温度高于晶体从铁电相到顺电相的居里温度1-20摄氏度；
步骤五、在两块晶体之间插入一片二分之一玻片，z轴为其光学对称轴；
步骤六、使从激光器出射的偏振方向平行于x轴的线偏振激光沿着z轴正方向正入射进入第一顺电相钽铌酸钾晶体，这时在第一顺电相钽铌酸钾晶体的两个相对应的平行于y-z面的表面施加电压，通过改变施加在第一顺电相钽铌酸钾晶体上的电压可以控制入射光束的出射方向，实现y轴方向的的一维扫描；当激光从第一顺电相钽铌酸钾晶体中出射后进入二分之一玻片，通过调整二分之一玻片光轴方向，使得激光的偏振方向旋转90度，然后照射到第二顺电相钽铌酸钾晶体上，这时在第二顺电相钽铌酸钾晶体的两个相对应的平行于x-z面的表面施加电压，通过改变施加在第二顺电相钽铌酸钾晶体上的电压控制入射光束的出射方向，实现x轴方向的一维扫描。
6.根据权利要求5所述的基于顺电相钽铌酸钾晶体电控偏转特性的二维光学扫描方法，其特征在于所述第一顺电相钽铌酸钾晶体和第二顺电相钽铌酸钾晶体的电极方向相互垂直。
7.根据权利要求5所述的基于顺电相钽铌酸钾晶体电控偏转特性的二维光学扫描方法，其特征在于所述激光器为半导体激光器或氦-氖激光器。
8.根据权利要求5所述的基于顺电相钽铌酸钾晶体电控偏转特性的二维光学扫描方法，其特征在于所述步骤一中顺电相钽铌酸钾晶体的温度高于其居里温度5度内。
9.根据权利要求5或8所述的基于顺电相钽铌酸钾晶体电控偏转特性的二维光学扫描方法，其特征在于所述顺电相钽铌酸钾晶体的居里温度为10-30摄氏度。
10.根据权利要求5所述的基于顺电相钽铌酸钾晶体电控偏转特性的二维光学扫描方法，其特征在于所述步骤一中，顺电相钽铌酸钾晶体的居里温度为20摄氏度，晶体温度为21.5摄氏度。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20140409 |