Wetenschappers hebben een zeer efficiënte bundelstuurhoekvergroter ontwikkeld die bestaat uit twee vloeibare kristalpolymere diffractieve optische elementen. Voor een LiDAR (lichtdetectie en -bereik) die werkt bij 905 nm, de stuurhoek kan 5,4 keer worden vergroot. Mogelijke toepassingen zijn onder meer autonome voertuigen en eye-tracking voor virtual reality-displays.

Vlakke optica op basis van patroonvormige vloeibare kristallen (LC's) hebben onlangs uitgebreide onderzoeksinteresse gekregen. Vergeleken met diëlektrische metasurfaces die gewoonlijk door geavanceerd lithografieproces worden vervaardigd, Op LC-polymeer gebaseerde vlakke optica, dankzij hun zelf-assemblerende eigenschappen, kan worden vervaardigd door middel van een all-solution proces. Gedurende de afgelopen decennia is een verscheidenheid aan vlakke optische apparaten is aangetoond op basis van manipulatie van de geometrische fase (ook Pancharatnum-Berry-fase genoemd). De totale effectieve dikte van het apparaat, inclusief de onderliggende vloeibare kristallijningslaag en het vloeibare kristalpolymeer, is meestal in de orde van 1 m.

Doorlatende lenzen van commerciële kwaliteit, roosters, en optische vortexprocessors zijn de afgelopen jaren ontwikkeld. Engineering van hun werkende spectrale / hoekige banden is geïllustreerd in zowel passieve als actieve apparaten. Bijvoorbeeld, een multi-twist-structuur kan worden ontworpen om de spectrale/angulaire bandbreedte als passief middel aan te passen, terwijl actieve apparaten die kunnen reageren op externe stimuli zoals mechanische stress, elektrisch veld, en licht, zijn ook gerealiseerd. Hoe dan ook, de bestaande verkenningen zijn gericht op optische functionaliteiten die kunnen worden vervuld door een enkellaags apparaat. Een manier om verder te gaan dan de huidige limiet is het ontwerpen van gecascadeerde platte optica, waarbij meer vrijheidsgraden een rol spelen en daardoor meer onderscheiden functionaliteiten rationeel kunnen worden bereikt. Ondertussen, de gecascadeerde optische elementen moeten nog steeds de voordelen behouden zoals een hoog rendement, compactheid, laag gewicht, gemakkelijke verwerking, flexibiliteit, en lage kosten.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Lichtwetenschap &Toepassing, een team van wetenschappers, onder leiding van Prof. Shin-Tson Wu van het College of Optics and Photonics, Universiteit van Centraal-Florida, VS, stelde een trapsgewijs LC plat optisch element voor, een miniatuur planaire telescoop genoemd, om de stuurhoek te vergroten onafhankelijk van de positie van de invallende bundel. Een dergelijke hoekvergrotingsfunctie kan niet worden bereikt met een optisch apparaat met een enkele laag, zoals een rooster of een brekend oppervlak. Deze miniatuur planaire telescoop bestaat uit twee platte optische elementen. Aan beide lagen worden faseprofielen toegewezen volgens de som van even-orde veeltermen en ze zijn gescheiden in de ruimte. Door middel van raytracing-simulaties, het systeem kan worden geoptimaliseerd op basis van de specifieke openingsgrootte en het bereik van de invalshoek, en bijna diffractie-beperkte prestaties kunnen worden verkregen.

Bij experimenten, verschillende LC-diffractieve apparaten in millimetergroottes met verschillende f / # werden vervaardigd door middel van verwerking van alle oplossingen en geassembleerd tot twee telescoopmodules met ontworpen vergrotingsfactoren van 1,67 (module I) en 2,75 (module II), respectievelijk. De gemeten vergroting kwam goed overeen met de ontworpen waarden. Bovendien, een redelijk hoog rendement (> 89,8% voor module I en> 84,6% voor module II) werd behaald binnen het ontworpen invalshoekbereik. Door foutenanalyse, de efficiëntie kan worden verbeterd door het fabricageproces te optimaliseren. Het team toonde aan dat de telescoopmodule een veelbelovende kandidaat kan zijn voor niet-mechanische straalsturing om het momenteel beperkte stuurbereik (ook wel gezichtsveld genoemd) uit te breiden. Bijvoorbeeld, voor LiDAR-toepassingen (lichtdetectie en -bereik) bij λ=905 nm, een maximaal uitgangshoekbereik van ±27° kan worden verwacht. Vergeleken met een zeer efficiënte optische fase-array (meest gerijpte elektronische straalbesturing) met een invallend veldbereik van ~ ± 5 °, een vergroting van 5,4 kan worden verkregen. Voor een langere werkingsgolflengte, zeg λ =1550 nm, het stuurbereik kan worden uitgebreid tot ongeveer ±37°, overeenkomend met een vergroting van 7,4. In dit verband, het team karakteriseerde ook het profiel van de outputstraal om de hoge kwaliteit van de telescoopmodules en de compatibiliteit met high-end beam-stuurers te garanderen.

Met het gepresenteerde werk Wu en collega's demonstreerden lichtgewicht, kostenefficiënt, miniatuur planaire telescopen voor optische hoekvergroting op basis van LC-polymeer platte optica. Hoge efficiëntie, aanwijsbare vergrotingsfactoren, en uitstekende bundelkwaliteit maken de voorgestelde telescopen zeer veelbelovend voor praktische toepassingen die geavanceerde laserstraalbesturingstechnologie vereisen. Belangrijker, dit is een nieuwe mijlpaal voor planaire LC-optica om verder te gaan dan de huidige ontwikkeling.