激光偏转技术的主要途径（3分钟了解激光偏转技术）

以下文章来源于福建福晶科技股份有限公司，作者福晶科技

激光偏转器（或扫描器）是一种用于改变光束在空间传播方向的器件，它在激光雷达、激光加工、光存储、光显示及光通讯等领域均有广泛的应用。声光和电光偏转器是一种新型的激光偏转技术，相比于常规机械式偏转技术具有无机械转动、扫描速度快、扫描精度高等优点。本文将向大家介绍各类激光偏转器技术及相关应用。

一

激光偏转技术

光偏转器的定义

改变光束传播方向，并按一定规律扫描的器件，称之为光偏转器（如图1）。

图1 光偏转常见实例

光偏转技术分类

根据偏转技术分类，可分为宏观机械偏转技术、微观机械偏转技术、新型偏转技术。

1）宏观机械偏转技术

利用精密电机带动光学元件的旋转或振动，改变光束入射角，从而实现反射光或透射光的偏转扫描。常见的有摆动平面镜（振镜）、旋转反射棱镜、旋转折射棱镜、旋转折射光楔等（如图2）。

图2 宏观机械偏转技术

2）微观机械偏转技术

利用微机电系统或压电陶瓷片带动微镜面，改变光束入射角，实现光束偏转扫描（如图3）。微镜面直径通常只有几毫米。与传统宏观机械偏转镜相比，具有重量轻，体积小，生产成本低的优点。常见的有压电扫描、MEMS微振镜等。压电式扫描仪的扫描范围最高可达数十微米，MEMS振镜其光学偏转角度较大（达到10°以上）[1]，常见的半固态激光雷达就是采用的MEMS振镜方案。

图3 微观机械偏转技术MEMS实例值得注意的是，机械偏转的扫描角度大、偏转线性好、受温度影响小，且通光口径大、光损耗小，适用波长范围广，但缺点是扫描速度慢[1]。3）调制偏转技术利用电光效应、声光效应或液晶双折射等方式，改变透明介质的折射率，实现透射光偏转。或利用光学相控阵，实现光束偏转扫描。常见的调制偏转器是电光偏转器、声光偏转器、液晶相控阵、液晶偏振光栅、光学相控阵等（如图4）。

图4 调制偏转技术实例

光偏转技术应用

光偏转技术在消费电子、医疗、军事国防、通讯等领域有广泛的应用，主要应用领域有三个方面：激光扫描、光通讯、数字显示（如图5）。激光扫描主要是指激光雷达、3D摄像头、条形码扫描、激光打印机、医疗成像；光通讯主要指光分插复用器、光衰减器、光开关、光栅；数字显示指高清电视、激光微投影、数字影院、汽车抬头显示（HUD）、激光键盘、增强现实（AR）等方面的应用。

图5 光偏转技术应用实例

（图片来源于网络）

光偏转器的主要评价指标

1）偏转角θ，它的大小要达到激光扫描的范围；

2）扫描速度V，要满足快速记录和显示的要求；3）偏转效率η，它是偏转光强与入射光强之比，反映了光偏转器的光能损失；4）分辨率或在扫描范围内可分辨的点数N，定义为N=θ/θd，它能客观比较不同技术最大偏转角；

5）响应时间、损伤阈值、尺寸(孔径)、可偏转的激光波长范围、透明度、功耗(所需电压)等特性，决定了偏转器在特定应用中的适用性[1]。

声光和电光偏转技术具有广泛的应用前景，本文结合光偏转器的主要评价指标，对声光和电光偏转器的基本原理及应用特点进行进一步的介绍和分析。

二

电光偏转器

基本原理

在外加电场作用下，各向同性的晶体介质变为各向异性的，从而产生折射率变化的现象，称为电光效应。电光偏转器（EOD，Electro-Optic Deflector）则依赖于电场作用下的材料折射率变化。通常EOD有两种类型，如果折射率随电场线性变化，如在LiNbO3、LiTaO3和KTiOPO4晶体中，这种电光效应称为Pockels效应。如果折射率随电场呈二次方变化，那么就是Kerr效应或二次电光效应。所有电光材料都表现出Kerr效应，但通常Kerr效应比Pockels效应弱得多。一个例外是钽铌酸钾(KTa1−xNbxO3，简称KTN)，它在特定温度下表现出极大的电光效应[1，2]。因此，基于KTN晶体的EOD比基于Pockels效应的EOD表现出更大的偏转角和偏转速度。

图6显示了EOD的两种典型结构。图6(a)显示根据棱镜能使光偏折的基础，将电光晶体作为棱镜材料，通过电压控制棱镜与周围材料的折射率差，进而改变输出光束的偏转角度。图6(b)显示垂直于光束传播方向的折射率梯度EOD，在这种结构中，激光束在通过晶体时被累积折射，基于KTN晶体的EOD就属于这种结构[1]。

图6 EOD典型结构

特点及应用

以基于KTN晶体的EOD为例，具有无机械振动、响应时间快、无惯性扫描的特点。主要应用于光谱仪、激光脉冲整形、变焦透镜等方面。其中关于变焦透镜（如图7），通过控制KTN晶体的电压，可以在1 μs内改变87 mm的焦距[3]，这比传统的变焦透镜快100倍。

图7 基于EOD的变焦透镜[3]

EOD存在的不足及解决方案

1）损伤阈值小：以KTN-EOD为例，损伤阈值仅0.26 MW/cm2[4]，该方面目前受限于材料，并没有特别好的方法，只能是采取在使用条件许可情况下尽量通过增大口径来解决。

2）偏转角小：电光偏转器偏转角只能到7.16 deg[1]。解决方案（如图8）：

方法一：通过多次反射以增加晶体长度，从而增大偏转角度；

方法二：通过串联棱镜叠加效果，进而增大偏转角度。

图8 EOD偏转角小改善方案[5，7]

3）分辨率低：KNT偏转器的分辨点数N通常只能达到50[1]，一般可通过增大偏转角度或减少光束发散角来提高分辨率。

三

声光偏转器的原理及特点

基本原理

声光偏转器（AOD，Acousto-Optic Deflector）是基于声光效应的一种器件。由于声波在光学透明材料(如SiO2、TeO2或PbMoO4)中传播，引起材料折射率周期性变化，这个周期性变化的折射率形成“光栅”，激光束通过光学材料时将发生衍射偏转。当光发生衍射偏转时，其偏转角度可通过控制射频驱动的频率精确调制，响应时间在百纳秒内。

图9 AOD典型结构图9显示了一个AOD的典型配置。它由一个声光晶体、压电换能器（通常是粘接或沉积在声光晶体上的一个压电元件）组成。在射频驱动作用下，换能器将声波发射到晶体中，产生光栅。在另一端，晶体通常是斜切的，并安装吸声材料，以避免声波反射回晶体。对于大多数应用，AOD的设计是为了最大限度地使输入激光束衍射到单个一级位置。

特点及应用

AOD具有无机械振动、速度快、分辨率高、随机访问式扫描的特点。主要应用于二维扫描、频谱分析、光镊系统、图像扫描、全息成像等。

AOD存在的不足及解决方案

1）不足：分辨率低，常规AOD的可分辨点数N最大只有500[1]。

解决方案如下（如图10）：

方法一：通过镜面扫描和光偏转器（AOD或EOD）结合来弥补，提高可分辨点，实现高分辨率的应用[8]；

方法二：可分辨点数正比于有效带宽Δf，通过超声布拉格跟踪方式，来提高工作频带内的有效带宽。超声布拉格跟踪是使超声主方向a能随频率变化，自动跟踪超声b方向，使a由多个换能片激发超声波相干叠加，保证倍频程带宽条件[9]。

方法三：通过单晶多频方式，带宽提高，改善可分辨点数。

图10 AOD可分辨点数小改善方案[8，9]

2）不足：随着扫描速度的增加，AOD将引入圆柱形聚焦效应。即在高扫描速率下，AOD内激光束的频率会有一个明显的线性变化，这通常被称为“啁啾效应”。在输入激光束的相邻点间，会看到不同的频率，它们将以不同的扫描角度偏转。因此，AOD就像一个柱面透镜。

解决方法如下：

在实际应用中，这种效应可以通过在AOD后增加一个具有相同焦距的圆柱形透镜来消除。

对于AOD柱面透镜这个不足点，我们有一个更好的应用方案，即可变焦声光透镜（AOL）。它是利用啁啾信号，实现光场可变焦。如图11，它是由四个正交AODs组成的球形AOL，可以在三维空间中快速地引导和聚焦显微镜的激光束，它可实现有效带宽内350 mm的变焦[10]。

图11 AOL示意图[10]

四

EOD和AOD亟需解决的问题

图12 EOD和AOD亟需解决的问题

伴随EOD和AOD等光学固体偏转器的开发应用，几个亟需解决的问题日益凸显（图12）。其一，EOD缺乏更合适的电光材料，目前仅KTN晶体表现出优良的电光偏转特性；同样，AOD缺乏更适合紫外或红外波段的材料；其次，国内仍较缺乏EOD或AOD所需的优质晶体供给渠道，以及各自相互配套的驱动控制系统。

五

激光偏转技术对比

表1列出了各式激光偏转技术的典型值。

表1 各式激光偏转器的典型对比值[1]

六

福晶科技与偏转器

福晶科技以享誉全球的非线性光学晶体LBO及BBO闻名于激光界，基于其强大的晶体研发能力、领先的超精密加工能力及完善的质量控制体系，福晶科技从2015年起陆续推出法拉第旋转器、自由空间隔离器、光纤激光器隔离器等磁光器件；声光开关、声光调制器、移频器、滤波器、偏转器等声光器件；BBO、KD*P等电光器件；各类光学镜头（如F-θ场镜）；高功率及超快激光传输光缆等系列器件产品。AOD及EOD是福晶科技最新研发的器件类产品。

通过多年的技术开发和积累，福晶科技在大带宽实现、反常器件设计和超声跟踪问题上有了丰富的经验和成果，形成了包括器件设计、性能仿真、器件封装、性能测试在内的完善体系，制作的一维、二维及双射频AOD产品性能优异、可靠性高（图13）。

图13 (a)(b)福晶科技一维AOD产品；(c)福晶科技二维AOD产品

图14为福晶科技最新开发的KD*P电光偏转器，基于福晶科技多年电光器件研发经验，性能指标已达到国外同等水平。

图14 福晶科技KD*P电光偏转器及测试结果

参考文献

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[3]Imai T , Inagaki T , Miyazu J , et al. A Varifocal Lens Using an Electrooptic KTa1−xNbxO3 Crystal with a Microsecond Order Response Time[J]. Transactions of the Japan Institute of Electronics Packaging, 2015, 7(1):39-45.

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[5]Naganuma K,Miyazu J,Yagi S.High-resolution KTN optical beam scanner[J]. NTT Technical Review, 2009, 7(12).

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[7]Zuo Y,Mony M,Bahamin B,et al. Bulk electro-optic deflector-based switches[J]. Applied Optics, 2007, 46(16):3323-31.

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[9]Aboujeib J, Pérennou A, Quintard V, et al. Planar phased-array transducers associated with specific electronic command for acousto-optic deflectors[J]. Journal of Optics A: Pure and Applied Optics, 2007, 9(5): 463.

[10]Evans G J ,Kirkby P A,Naga S,et al. Development and application of a ray-based model of light propagation through a spherical acousto-optic lens[J]. Optics Express, 2015, 23(18):23493-23510.

本文源自福晶科技副总经理吴季在第二届中国·福州光电产业论坛上作的“激光偏转技术及其应用”报告。

本文转载自福晶科技官微

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