Forskare har utvecklat en högeffektiv strålvinkelutvidgare som består av två flytande kristallpolymera diffraktiva optiska element. För en LiDAR (ljusdetektering och intervall) som arbetar vid 905 nm, styrvinkeln kan utökas med 5,4 gånger. Potentiella applikationer inkluderar autonoma fordon och ögonspårning för virtual reality-skärmar.

Platt optik baserad på mönstrade flytande kristaller (LC) har nyligen fått omfattande forskningsintresse. Jämfört med dielektriska metasytor som vanligtvis tillverkas av sofistikerad litografiprocess, LC-polymerbaserad plan optik, på grund av deras självmonteringsegenskaper, kan tillverkas genom all-lösningsprocess. Under de senaste decennierna har en mängd olika plana optiska enheter har visats baserat på geometrisk fas (även kallad Pancharatnum-Berry-fas) manipulation. Den totala effektiva tjockleken på enheten, inklusive det underliggande flytande kristalljusteringsskiktet och flytande kristallpolymeren, är vanligtvis i storleksordningen 1 μm.

Transmissiva linser av kommersiell kvalitet, gratningar, och optiska virvelprocessorer har utvecklats under de senaste åren. Konstruktion av deras operativa spektral/vinkelband har illustrerats i både passiva och aktiva enheter. Till exempel, en multi-twist struktur kan utformas för att anpassa den spektrala/vinklade bandbredden som ett passivt medel, medan aktiva enheter som kan reagera på yttre stimuli såsom mekanisk stress, elektriskt fält, och ljus, har också förverkligats. Ändå, de befintliga undersökningarna har fokuserats på optiska funktioner som kan uppfyllas av en enhet med ett lager. Ett sätt att gå över den nuvarande gränsen är att designa kaskad platt optik, där mer grad av frihet är involverad och därigenom mer distinkta funktioner kan rationellt uppnås. Sålänge, de kaskade optiska elementen bör fortfarande bevara fördelarna som hög effektivitet, kompakthet, Låg vikt, enkel bearbetning, flexibilitet, och låg kostnad.

I en ny artikel publicerad i Ljusvetenskap och applikation, ett team av forskare, ledd av professor Shin-Tson Wu från College of Optics and Photonics, University of Central Florida, USA, föreslog ett kaskadt LC -platt optiskt element, kallas ett miniatyrplanar -teleskop, för att uppnå styrvinkelförstoring oberoende av infallande strålläge. En sådan vinkelförstoringsfunktion kan inte uppnås med en enda lager optisk anordning, såsom ett galler eller en brytningsyta. Detta plana miniatyrteleskop består av två platta optiska element. Båda skikten tilldelas fasprofiler efter summan av jämna ordningspolynom och de separeras i rymden. Genom strålspårningssimuleringar, systemet kan optimeras enligt specifik bländarstorlek och infallsvinkelområde, och nästan diffraktionsbegränsad prestanda kan erhållas.

I experiment, olika LC-diffraktiva enheter i millimeterstorlekar med olika f/# tillverkades genom bearbetning med hel lösning och monterades i två teleskopmoduler med utformade förstoringsfaktorer på 1,67 (modul I) och 2,75 (modul II), respektive. Den uppmätta förstoringen överensstämde väl med de utformade värdena. Dessutom, en rimligt hög effektivitet (> 89,8% för modul I och> 84,6% för modul II) uppnåddes inom det utformade infallsvinkelområdet. Genom felanalys, effektiviteten kan förbättras genom att optimera tillverkningsprocessen. Teamet visade att teleskopmodulen kan vara en lovande kandidat för icke-mekanisk strålstyrning för att utöka det för närvarande begränsade styrområdet (även känt som synfält). Till exempel, för LiDAR -applikationer (ljusdetektering och intervall) vid λ =905 nm, ett maximalt utgångsvinkelområde på ± 27 ° kan förväntas. Jämförelse med en högeffektiv optisk fasmatris (mest mogna elektroniska strålstyrare) med ett infallsfältintervall på ~ ± 5 °, en förstoring på 5,4 kan förvärvas. För en längre driftvåglängd, säg λ =1550 nm, styrområdet kan utökas till ca ± 37 °, motsvarande en förstoring på 7,4. I detta avseende, teamet kännetecknade också utstrålningsprofilen för att säkerställa teleskopmodulernas höga kvalitet och kompatibilitet med avancerade strålstyrare.

Med det presenterade arbetet, Wu och medarbetare visade lätt, kostnadseffektiv, plana miniatyrteleskop för optisk vinkelförstoring baserad på platt -optisk LC -polymer. Hög effektivitet, designbara förstoringsfaktorer, och utmärkt strålkvalitet gör de föreslagna teleskopen mycket lovande för praktiska tillämpningar som kräver avancerad laserstrålstyrningsteknik. Mer viktigt, detta är en ny milstolpe för plan LC -optik som går utöver den nuvarande utvecklingen.