3分鐘瞭解鐳射偏轉技術
以下文章來源於福建福晶科技股份有限公司，作者福晶科技
鐳射偏轉器（或掃描器）是一種用於改變光束在空間傳播方向的器件，它在鐳射雷達、鐳射加工、光儲存、光顯示及光通訊等領域均有廣泛的應用。聲光和電光偏轉器是一種新型的鐳射偏轉技術，相比於常規機械式偏轉技術具有無機械轉動、掃描速度快、掃描精度高等優點。本文將向大家介紹各類鐳射偏轉器技術及相關應用。
一
鐳射偏轉技術
光偏轉器的定義
改變光束傳播方向，並按一定規律掃描的器件，稱之為光偏轉器（如圖1）。
圖1 光偏轉常見例項
光偏轉技術分類
根據偏轉技術分類，可分為宏觀機械偏轉技術、微觀機械偏轉技術、新型偏轉技術。
1）宏觀機械偏轉技術
利用精密電機帶動光學元件的旋轉或振動，改變光束入射角，從而實現反射光或透射光的偏轉掃描。常見的有擺動平面鏡（振鏡）、旋轉反射稜鏡、旋轉折射稜鏡、旋轉折射光楔等（如圖2）。
圖2 宏觀機械偏轉技術
2）微觀機械偏轉技術
利用微機電系統或壓電陶瓷片帶動微鏡面，改變光束入射角，實現光束偏轉掃描（如圖3）。微鏡面直徑通常只有幾毫米。與傳統宏觀機械偏轉鏡相比，具有重量輕，體積小，生產成本低的優點。常見的有壓電掃描、MEMS微振鏡等。壓電式掃描器的掃描範圍最高可達數十微米，MEMS振鏡其光學偏轉角度較大（達到10°以上）［1］，常見的半固態鐳射雷達就是採用的MEMS振鏡方案。
圖3 微觀機械偏轉技術MEMS例項值得注意的是，機械偏轉的掃描角度大、偏轉線性好、受溫度影響小，且通光口徑大、光損耗小，適用波長範圍廣，但缺點是掃描速度慢［1］。
3）調製偏轉技術
利用電光效應、聲光效應或液晶雙折射等方式，改變透明介質的折射率，實現透射光偏轉。或利用光學相控陣，實現光束偏轉掃描。常見的調製偏轉器是電光偏轉器、聲光偏轉器、液晶相控陣、液晶偏振光柵、光學相控陣等（如圖4）。
圖4 調製偏轉技術例項
光偏轉技術應用
光偏轉技術在消費電子、醫療、軍事國防、通訊等領域有廣泛的應用，主要應用領域有三個方面：鐳射掃描、光通訊、數字顯示（如圖5）。鐳射掃描主要是指鐳射雷達、3D攝像頭、條形碼掃描、鐳射印表機、醫療成像；光通訊主要指光分插複用器、光衰減器、光開關、光柵；數字顯示指高畫質電視、鐳射微投影、數字影院、汽車抬頭顯示（HUD）、鐳射鍵盤、增強現實（AR）等方面的應用。
圖5 光偏轉技術應用例項
（圖片來源於網路）
光偏轉器的主要評價指標
1）偏轉角θ，它的大小要達到鐳射掃描的範圍；
2）掃描速度V，要滿足快速記錄和顯示的要求；3）偏轉效率η，它是偏轉光強與入射光強之比，反映了光偏轉器的光能損失；4）解析度或在掃描範圍內可分辨的點數N，定義為N=θ/θd，它能客觀比較不同技術最大偏轉角；
5）響應時間、損傷閾值、尺寸（孔徑）、可偏轉的鐳射波長範圍、透明度、功耗（所需電壓）等特性，決定了偏轉器在特定應用中的適用性［1］。
聲光和電光偏轉技術具有廣泛的應用前景，本文結合光偏轉器的主要評價指標，對聲光和電光偏轉器的基本原理及應用特點進行進一步的介紹和分析。
二
電光偏轉器
基本原理
在外加電場作用下，各向同性的晶體介質變為各向異性的，從而產生折射率變化的現象，稱為電光效應。電光偏轉器（EOD，Electro-Optic Deflector）則依賴於電場作用下的材料折射率變化。通常EOD有兩種型別，如果折射率隨電場線性變化，如在LiNbO3、LiTaO3和KTiOPO4晶體中，這種電光效應稱為Pockels效應。如果折射率隨電場呈二次方變化，那麼就是Kerr效應或二次電光效應。所有電光材料都表現出Kerr效應，但通常Kerr效應比Pockels效應弱得多。一個例外是鉭鈮酸鉀（KTa1−xNbxO3，簡稱KTN），它在特定溫度下表現出極大的電光效應［1，2］。因此，基於KTN晶體的EOD比基於Pockels效應的EOD表現出更大的偏轉角和偏轉速度。
圖6顯示了EOD的兩種典型結構。圖6（a）顯示根據稜鏡能使光偏折的基礎，將電光晶體作為稜鏡材料，透過電壓控制稜鏡與周圍材料的折射率差，進而改變輸出光束的偏轉角度。圖6（b）顯示垂直於光束傳播方向的折射率梯度EOD，在這種結構中，鐳射束在透過晶體時被累積折射，基於KTN晶體的EOD就屬於這種結構［1］。
圖6 EOD典型結構
特點及應用
以基於KTN晶體的EOD為例，具有無機械振動、響應時間快、無慣性掃描的特點。主要應用於光譜儀、鐳射脈衝整形、變焦透鏡等方面。其中關於變焦透鏡（如圖7），透過控制KTN晶體的電壓，可以在1 μs內改變87 mm的焦距［3］，這比傳統的變焦透鏡快100倍。
圖7 基於EOD的變焦透鏡［3］
EOD存在的不足及解決方案
1）損傷閾值小：以KTN-EOD為例，損傷閾值僅0。26 MW/cm2［4］，該方面目前受限於材料，並沒有特別好的方法，只能是採取在使用條件許可情況下儘量透過增大口徑來解決。
2）偏轉角小：電光偏轉器偏轉角只能到7。16 deg［1］。解決方案（如圖8）：
方法一：透過多次反射以增加晶體長度，從而增大偏轉角度；
方法二：透過串聯稜鏡疊加效果，進而增大偏轉角度。
圖8 EOD偏轉角小改善方案［5，7］
3）解析度低：KNT偏轉器的分辨點數N通常只能達到50［1］，一般可透過增大偏轉角度或減少光束髮散角來提高解析度。
三
聲光偏轉器的原理及特點
基本原理
聲光偏轉器（AOD，Acousto-Optic Deflector）是基於聲光效應的一種器件。由於聲波在光學透明材料（如SiO2、TeO2或PbMoO4）中傳播，引起材料折射率週期性變化，這個週期性變化的折射率形成“光柵”，鐳射束透過光學材料時將發生衍射偏轉。當光發生衍射偏轉時，其偏轉角度可透過控制射頻驅動的頻率精確調製，響應時間在百納秒內。
圖9 AOD典型結構圖9顯示了一個AOD的典型配置。它由一個聲光晶體、壓電換能器（通常是粘接或沉積在聲光晶體上的一個壓電元件）組成。在射頻驅動作用下，換能器將聲波發射到晶體中，產生光柵。在另一端，晶體通常是斜切的，並安裝吸聲材料，以避免聲波反射回晶體。對於大多數應用，AOD的設計是為了最大限度地使輸入鐳射束衍射到單個一級位置。
特點及應用
AOD具有無機械振動、速度快、解析度高、隨機訪問式掃描的特點。主要應用於二維掃描、頻譜分析、光鑷系統、影象掃描、全息成像等。
AOD存在的不足及解決方案
1）不足：解析度低，常規AOD的可分辨點數N最大隻有500［1］。
解決方案如下（如圖10）：
方法一：透過鏡面掃描和光偏轉器（AOD或EOD）結合來彌補，提高可分辨點，實現高解析度的應用［8］；
方法二：可分辨點數正比於有效頻寬Δf，透過超聲布拉格跟蹤方式，來提高工作頻帶內的有效頻寬。超聲布拉格跟蹤是使超聲主方向a能隨頻率變化，自動跟蹤超聲b方向，使a由多個換能片激發超聲波相干疊加，保證倍頻程頻寬條件［9］。
方法三：透過單晶多頻方式，頻寬提高，改善可分辨點數。
圖10 AOD可分辨點數小改善方案［8，9］
2）不足：隨著掃描速度的增加，AOD將引入圓柱形聚焦效應。即在高掃描速率下，AOD內鐳射束的頻率會有一個明顯的線性變化，這通常被稱為“啁啾效應”。在輸入鐳射束的相鄰點間，會看到不同的頻率，它們將以不同的掃描角度偏轉。因此，AOD就像一個柱面透鏡。
解決方法如下：
在實際應用中，這種效應可以透過在AOD後增加一個具有相同焦距的圓柱形透鏡來消除。
對於AOD柱面透鏡這個不足點，我們有一個更好的應用方案，即可變焦聲光透鏡（AOL）。它是利用啁啾訊號，實現光場可變焦。如圖11，它是由四個正交AODs組成的球形AOL，可以在三維空間中快速地引導和聚焦顯微鏡的鐳射束，它可實現有效頻寬內350 mm的變焦［10］。
圖11 AOL示意圖［10］
四
EOD和AOD亟需解決的問題
圖12 EOD和AOD亟需解決的問題
伴隨EOD和AOD等光學固體偏轉器的開發應用，幾個亟需解決的問題日益凸顯（圖12）。其一，EOD缺乏更合適的電光材料，目前僅KTN晶體表現出優良的電光偏轉特性；同樣，AOD缺乏更適合紫外或紅外波段的材料；其次，國內仍較缺乏EOD或AOD所需的優質晶體供給渠道，以及各自相互配套的驅動控制系統。
五
鐳射偏轉技術對比
表1列出了各式鐳射偏轉技術的典型值。
表1 各式鐳射偏轉器的典型對比值［1］
六
福晶科技與偏轉器
福晶科技以享譽全球的非線性光學晶體LBO及BBO聞名於鐳射界，基於其強大的晶體研發能力、領先的超精密加工能力及完善的質量控制體系，福晶科技從2015年起陸續推出法拉第旋轉器、自由空間隔離器、光纖鐳射器隔離器等磁光器件；聲光開關、聲光調製器、移頻器、濾波器、偏轉器等聲光器件；BBO、KD*P等電光器件；各類光學鏡頭（如F-θ場鏡）；高功率及超快鐳射傳輸光纜等系列器件產品。AOD及EOD是福晶科技最新研發的器件類產品。
透過多年的技術開發和積累，福晶科技在大頻寬實現、反常器件設計和超聲跟蹤問題上有了豐富的經驗和成果，形成了包括器件設計、效能模擬、器件封裝、效能測試在內的完善體系，製作的一維、二維及雙射頻AOD產品效能優異、可靠性高（圖13）。
圖13 （a）（b）福晶科技一維AOD產品；（c）福晶科技二維AOD產品
圖14為福晶科技最新開發的KD*P電光偏轉器，基於福晶科技多年電光器件研發經驗，效能指標已達到國外同等水平。
圖14 福晶科技KD*P電光偏轉器及測試結果
參考文獻
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本文源自福晶科技副總經理吳季在第二屆中國·福州光電產業論壇上作的“鐳射偏轉技術及其應用”報告。
本文轉載自福晶科技官微
