Strålestyringsvinkeludvidelse med to flydende krystal polymere diffraktive optiske elementer

Forskere har udviklet en højeffektiv strålestyringsvinkelekspander bestående af to flydende krystal polymere diffraktive optiske elementer. For en LiDAR (lysdetektion og rækkevidde), der opererer ved 905 nm, styrevinklen kan udvides med 5,4 gange. Potentielle applikationer omfatter autonome køretøjer og eye-tracking til virtual reality-skærme.

Flad optik baseret på mønstrede flydende krystaller (LC'er) har for nylig modtaget omfattende forskningsinteresse. Sammenlignet med dielektriske metaoverflader, som normalt fremstilles ved sofistikeret litografiproces, LC polymer-baseret plan optik, på grund af deres selvsamlende egenskaber, kan fremstilles gennem hele løsningsprocessen. I løbet af de sidste årtier, en række plane optiske enheder er blevet demonstreret baseret på geometrisk fase (også kaldet Pancharatnum-Berry fase) manipulation. Den samlede effektive tykkelse af enheden, inklusive det underliggende flydende krystaljusteringslag og flydende krystalpolymeren, er normalt i størrelsesordenen 1 μm.

Transmissive linser i kommerciel kvalitet, riste, og optiske vortex-processorer er blevet udviklet i de sidste par år. Konstruktion af deres operationelle spektrale/vinkelbånd er blevet illustreret i både passive og aktive enheder. For eksempel, en multi-twist struktur kan designes til at tilpasse spektral/vinkelbåndbredden som et passivt middel, mens aktive enheder, der kan reagere på eksterne stimuli såsom mekanisk stress, elektrisk felt, og lys, er også blevet realiseret. Alligevel, de eksisterende udforskninger har været fokuseret på optiske funktionaliteter, der kan opfyldes af en enkelt-lags enhed. En måde at gå ud over den nuværende grænse er at designe kaskade flad optik, hvor mere grad af frihed er involveret og derved mere distinkte funktionaliteter rationelt kan opnås. I mellemtiden, de kaskadekoblede optiske elementer bør stadig bevare fordelene såsom høj effektivitet, kompakthed, lav vægt, nem behandling, fleksibilitet, og lave omkostninger.

I et nyt blad udgivet i Lysvidenskab og anvendelse, et hold af videnskabsmænd, ledet af Prof. Shin-Tson Wu fra College of Optics and Photonics, University of Central Florida, USA, foreslået et kaskadet LC fladt optisk element, kaldet et miniature planar teleskop, for at opnå styrevinkelforstørrelse uafhængig af den indfaldende stråleposition. En sådan vinkelforstørrelsesfunktion kan ikke opnås med en enkeltlags optisk anordning, såsom et gitter eller en brydningsflade. Dette plane miniatureteleskop består af to flade optiske elementer. Begge lag er tildelt faseprofiler efter summen af ​​lige ordens polynomier, og de er adskilt i rummet. Gennem ray-tracing simuleringer, systemet kan optimeres i henhold til specifik blændestørrelse og indfaldsvinkelområde, og næsten diffraktionsbegrænset ydeevne kan opnås.

I eksperimenter, Forskellige LC-diffraktive enheder i millimeterstørrelser med forskellige f/# blev fremstillet gennem all-opløsningsbehandling og samlet i to teleskopmoduler med designet forstørrelsesfaktorer på 1,67 (modul I) og 2,75 (modul II), henholdsvis. Den målte forstørrelse stemte godt overens med de designede værdier. I øvrigt, en rimelig høj effektivitet (> 89,8 % for modul I og> 84,6 % for modul II) blev opnået inden for det designede indfaldsvinkelområde. Gennem fejlanalyse, effektiviteten kunne forbedres ved at optimere fremstillingsprocessen. Holdet demonstrerede, at teleskopmodulet kan være en lovende kandidat til ikke-mekanisk strålestyring for at udvide det i øjeblikket begrænsede styreområde (også kendt som hensynsfelt). For eksempel, til LiDAR (lysdetektion og rækkevidde) applikationer ved λ=905 nm, et maksimalt udgangsvinkelområde på ±27° kan forventes. Sammenlignet med et højeffektivt optisk fasearray (mest moden elektronisk strålestyrer) med et indfaldsfeltområde på ~±5°, en forstørrelse på 5,4 kan opnås. For en længere driftsbølgelængde, sige λ=1550 nm, styreområdet kan udvides til ca. ±37°, svarende til en forstørrelse på 7,4. I denne forbindelse holdet karakteriserede også udgangsstråleprofilen for at sikre den høje kvalitet af teleskopmodulerne og kompatibiliteten med high-end strålestyrere.

Med det fremlagte arbejde, Wu og kolleger demonstrerede letvægts, omkostningseffektiv, miniature planar teleskoper til optisk vinkelforstørrelse baseret på LC polymer flad optik. Høj effektivitet, designbare forstørrelsesfaktorer, og fremragende strålekvalitet gør de foreslåede teleskoper meget lovende til praktiske anvendelser, der kræver avanceret laserstrålestyringsteknologi. Vigtigere, dette er en ny milepæl for plan LC-optik, der går ud over den nuværende udvikling.