第５期 江雄等：激光显示中声光调制器的研究 ・５１・ 现高分辨大屏幕显示等特点Ｌ１叫］。全固态激光器大屏幕显示包括三基色ＤＰＬ光源系统、激光调制系统、扫 描系统、显示屏幕等部分。激光扫描显示可利用转镜、声光、电光等技术实现行扫描，转镜技术实现帧扫描， 声光或电光技术进行信号调制。但由于受扫描和调制等技术发展现状的限制，目前仍处于实验室阶段，因 此进行激光调制系统的深入研究具有重要的实际意义。 激光显示中需要的是屏幕上激光强度的变化，只需对激光的强度加以调制，声光调制器和电光调制器 相比具有更多的优势：有很高的消光比、驱动功率低、体积小、没有二次电光效应，所以文中选择声光调制 器。采用熔石英作为声光介质，３６。Ｙ切铌酸锂（ＬｉＮｂＯ。）作为换能器，用铟冷压焊工艺方法，研制出调制频 率为３２ＭＨｚ，工作中心频率为１８０ＭＨｚ，峰值衍射效率大于７５％的高速宽带声光调制器。对声光调制器结 构进行了优化设计，并设计了使激光光源和声光调制器相匹配的光学系统，使驱动源和调制器相匹配的电 匹配网络。设计出的高速宽带声光调制器基本满足了激光显示系统的要求。 ２光学匹配系统的设计 声光调制器的调制速度一般用上升时间来表示，它定义为衍射光强由稳定值的ｌｏ 增加到稳定值的 ９Ｏ 所需的时间。根据扫描原理，视频信号必须串行传输，因此，调制频率就取决于每秒所写的像素总数。 通常对于ＸＧＡ（１０２４×７６８）像素时间为２１ｎｓ，对于ＳｘＧＡ（１２８Ｏ×１０２４）像素时间为１２．７ｎｓ。为正确地传 输视频信号，声光调制器的上升下降时间必须小于像素时间的一半 ］。声光调制器的上升时间取决于声光 介质内激光光束的半径，光束腰斑半径减小上升时间变快。 声光调制器内声波通过激光束腰部的渡越时间为： ｒ＝ｄ。／ｖ （１） 式（１）中ｄ。为聚焦在声光介质内高斯光束的腰部直径； 为声光介质内超声波速度。 调制器的上升时间 和渡越时间ｒ的关系可以表示为：ｔｒ—Ｏ．８５ｒ （２） 脉冲调制器的占空比通常取为０．５，此时，渡越时间和视频信号周期之间关系为： ｒ／Ｔ＝０．３ （３） 根据激光显示的要求，选择激光的光强调制频率为３２ＭＨｚ（Ｔ＝３１．２５ｎｓ），声光介质为熔石英，熔石英 内超声波速 为５９６０ｍ／ｓ。计算得渡越时间为９．３７５ｎｓ，上升时间约为８ｎｓ，声光介质内高斯光束的腰部直 径约为５６ｔ￣ｍ。 ． 实验所用的ＨｅＮｅ激光器输出的激光光束直径为ｌｍｍ，远场发散角全角为０．８１ｍｒａｄ。因此必须对激 光束进行聚焦来提高调制速度。高斯光束通过薄透镜的变换公式为［６］： 一— （４） （ｆ－－ｚ）ｚ＋（ ）ｚ ＾ ，／～ 八 ２ 一 — （５） （Ｚ－－ 。＋（ ）ｚ ’Ｚ代表物距，Ｚ 代表像距， 为入射光束腰斑半径， 为出射光束腰斑半径，厂为透镜焦距， 为激光波长。 为便于调整，该系统采用双透镜对激光束聚焦，如图ｌ所示，透镜Ｌ （焦距 一ｌ３０ｍｍ），透镜Ｌ：（焦距 图１双透镜聚焦系统 维普资讯 http://www.cqvip.com
・５２・ 光学仪器 第２９卷 厂２＝１５ｍｍ）。透镜Ｌｚ置于透镜Ｌ 出射高斯光束的束腰 处，入射高斯光束腰斑直径２ 一０．５ｍｍ，取出 射光束腰斑直径２如２＝５６ｐ．ｍ。经过计算求得２Ｏ．，ｏ２＝２０８ｐ．ｍ，Ｚ２ ＝１３．９ｍｍ，Ｚ１＝９２．６ｍｍ，Ｚ１ 一１２３．５ｍｍ。 实验表明双透镜聚焦系统便于调节，满足激光显示对调制速度的要求。 ３声光调制器的结构设计 设计的声光调制器用于激光显示系统，要求具有较高的光强损伤阈值，选择熔石英作为声光介质，３６。 Ｙ切ＬｉＮｂＯ。单晶作为换能器。为达到ＸＧＡ分辨力，激光的光强调制频率 取为３２Ｍｔ－ｋ，工作中心频率 需满足 ≥４ ，因此选择 一１８０ＭＨｚ。声波的注入方式为行波，在超声波前进方向的终端介质表面 加上吸声材料或吸声装置，保证只有行波通过。声光调制器的结构如图２所示，ＬｉＮｂＯ。换能器的厚度取为 ２０．３ ｍ，背电极常与空气接触，为避免氧化而采用镀金材料，工艺上以０．３～０．４ｂｔｍ为佳。换能器和声光 介质问的各镀层分别为铬（Ｃｒ），银（Ａｇ），铟锡（Ｉｎ—Ｓｎ）双层增透膜。铬层、银层的作用是使换能器和声光介 质表面金属化，以利于键合层粘结，银层兼作为底电极，工艺上希望其厚度为０．０５～０．１０／￣ｍ。双层增透膜 铟和锡的厚度均取为２ ｍ。 ＾ｂｓｏｒｂｃｒ 声光介质和换能器键合在一起后，驱动电源提供的电功率通过换能器压电效应转化为超声功率，但由 于换能器的电输入阻抗是随频率变化的，驱动电源和换能器之间一般不能达到匹配，有一部分能量被反射 回来，只有一部分能量能进入换能器，因此衍射效率比较低。为此，必须在驱动电源和声光调制器之间设计 最佳的电匹配网络以提高衍射效率。根据换能器的玛森等效电路原理，各镀层的传递矩阵可以表示为ＥＴＪ： ＣＯＳ￣＇ａ ｊＺ一 啷ｏ．ｓｉｎ ￣＇．１ ｃ一３ ㈣ 当没有背吸收体时，压电层的传递矩阵为： Ｉ １ 丝ｌ ，ｆ一专ｌ， ｌ－ｅ ｊｏｓｇ＇＋ｊｓ ｉｎｚ￣ｂ＇ ｓ／ｎ）＇ Ｚｏ２－ ｖ ｒｖｓ －Ｈ｜ｖｃ．０．ｓ．ｙ＋ ｉ．，＋ｊｚｎｙ）］ｂｓ ，ｊ ） 其中 ＝ ，Ｓ＝ｃｏｓ￣＇一ｌ＋ ｉｎｙ， 一点．／￣ｊｏｃｏ 整个声光器件的总传递矩阵则为： ＩＴ１一 Ｂｎ Ｉ一［Ｔｏ］ｘＥＴｄｘＥＴｄｘＥＴＡ （８） 压电换能器的电输入阻抗为： 维普资讯 http://www.cqvip.com 第５期 江雄等：激光显示中声光调制器的研究 ・５３・ Ｚｉ＝Ｒ ＋ 一 （９） 利用史密斯圆图的性质对驱动源和声光调制器进行匹配，实验中设计了如图３所示的匹配网络。 图３驱动源和声光调制器间的阻抗匹配网络 通过数值计算，匹配后换能器电输入阻抗的实部Ｒ和虚部Ｘ随频率的变化分别如图４和图５所示， 图中频率取值范围为：１３５￣１９８ＭＨｚ。由于驱动源的内阻为５０１２，由图４可知匹配后输入阻抗的实部在所 取频率范围内接近于５０１２，而且图５表明输入阻抗的虚部在此频率范围内也接近于零，所以匹配后损耗大 大减小，从而具有相当大的带宽。 Ｇ Ｇ 、、 ＼ 箍 箍 七｝（ Ｊ磷 ＜ ＜ 簿 图４匹配后换能器输入阻抗实部随频率的变化 图５ 匹配后换能器输入阻抗虚部随频率的变化 ４实验研究 Ｈｅ—Ｎｅ激光器发出的光先经过设计好的双透镜系统聚焦并以布拉格角射入声光调制器内，对声光调 制器进行衍射效率测试。衍射效率曲线如图６所示，驱动功率达到１０Ｗ时最大衍射效率高于７５％。衍射 光斑如图７所示。 ８０ ／，一、、 ＾ ＼ ／／ 斟 ，— ’ ／ ／ Ｏ １ ３ ５ ７ ９ １１ 功率／Ｗ 图６衍射效率曲线 图７衍射光斑 维普资讯 http://www.cqvip.com ・５４・ 光学仪器 第２９卷 ５结论 根据激光显示对声光调制器调制速度快，衍射效率高的要求，设计出了合适的透镜系统对激光光束聚 焦，减少上升时间提高调制速度。设计最佳的声光调制器结构，通过压电换能器的玛森等效电路，考虑各镀 层参数的影响，数值求解压电换能器的电输入阻抗，然后根据史密斯圆图的性质形象的设计出最佳的阻抗 匹配网络减小损耗从而提高衍射效率。实验结果表明设计出的声光调制器可以满足激光显示的要求。 参考文献 ［１］许祖彦．激光显示——新一代显示技术［Ｊ］．激光与红外，２００６，３６（增刊）：７３７—７４１． ［２］姚爱云，侯［３］Ｌｅｅ ＪＨ，ＭｕｎＹＫ，ＤｏＳＷ，ｅｔ ａ１．．ＬａｓｅｒＴＶｆｏｒ ｈｏｍｅｔｈｅａｔｅｒ［Ｊ］． ． 玮，林学春，等．全固态三基色激光大屏幕投影显示实验口］．物理，２００４，３３（２）：１３３—１３６． Ｅ，２００２，４６５７：１３８一ｌ４５． Ｅ，２００１，４２９７：３６—４６． ［４］赵新亮，林妩媚，曹益平，等．激光显示中声光调制器的非线性实时校正［Ｊ］．光电工程，２００５，３２（４）：６６—６９． ［５］Ｈｏｌｌｅｍａｎｎ Ｇ，Ｂｒａｕｎ Ｂ，Ｈｅｉｓｔ Ｐ，ｅｔ ａ／．．Ｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ ｌａｓｅｒ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｄｉｓｐｌａｙｓ［Ｊ］． ［６］陈钰清，王静环．激光原理［Ｍ］．杭州：浙江大学出版社，１９９２．２００－－２０６． ［７］徐介平．声光器件的原理、设计和应用［Ｍ］．北京：科学出版社，１９８２，１６６－－１８０． 飞秒时间分辨近场光学系统 北京大学物理学院教授张家森在近期出版的《物理学报》上，发表了题为《飞秒时间分辨近场光学系统 实现及其应用》的论文。这篇文章表明，我国科学家实现了国内首例飞秒近场光学系统，时间分辨力达到 １７０ｆｓ，空间分辨力达到８０ｎｍ。此前，国际上只有瑞典、日本等国的几个研究小组达到这一水平。在７月２７ 日举行的中国科协第七次科技期刊与媒体见面会上，有关专家将这一成果推荐给大众媒体。 据介绍，由于纳米科技的发展，科学家已能研究纳米尺度甚至亚纳米尺度的物理过程。在时间尺度上 的很多重要过程，如化学反应及光合作用等，往往发生在ｆｓ（１ｆｓ－－１０叫 ｓ）量级。近年来，随着飞秒脉冲激光 技术的发展，飞秒时间分辨光谱技术在纳米材料的载流子弛豫动力学、化学反应动力学、光合作用超快过 程等研究领域得到广泛应用。其中很多研究对象的超快动力学性质具有高度空间依赖性，如纳米材料、量 子线、量子点以及光合系统捕光色素复合物等。由于普通的远场飞秒光谱技术受衍射极限限制，无法对纳 米结构的非均一性所造成的精细结构加以分析，有必要在突破光学衍射极限的尺度上进行探测。 该论文作者在实验技术和方法上具有创新性。他们将飞秒光脉冲和近场光学显微镜结合，成功实现了 飞秒时间分辨近场光学系统。该系统通过高频声光调制和差频锁相探测，极大提高了信噪比，消除了抽运、 探测光本底信号，从而在收集模式下测得飞秒时间分辨的透射光微弱信号变化。同时获得了８０ｎｍ的空间 分辨和１７０ｆｓ的时间分辨测量。科研人员利用该实验系统，研究了金纳米结构的热电子弛豫动力学过程， 观察到不同位置间热电子弛豫动力学的差异。 （摘自《科学时报》）
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