撰稿 | 新闻稿
非机械式波束转向器在无人驾驶汽车的激光雷达、近眼显示的眼动追踪、显微镜、光镊以及高精度三维打印技术中有着广泛的应用。在这些应用中，轻巧、紧凑、高效率、高精度和（或）大角度的波束转向器是长期以来梦寐以求的。但是目前最成熟的基于光相位阵列的激光波束转向技术只能在很小角度范围内提供准连续的、高效的波束转向。因此，设计更先进的拥有上述特征的波束转向器一直是该方向研究的热点。
近年来，基于液晶的平面光子学得到了广泛的研究。表面液晶取向层的任意调控给平面液晶器件提供了极大的二维相位操控自由度。另外，它还具备高效率、轻薄、低成本、容易制备、柔性、对环境刺激响应等优点。由于这些优点，许多高质量甚至是商用的液晶平面器件在近年得以实现。然而，以往的研究多关注在如何使用单层液晶器件实现不同的光学功能。通过级联平面光子器件，更多独特的光学功能可以被实现。
近日，美国中佛罗里达大学吴诗聪教授团队提出使用级联平面光子器件实现光学角度放大功能，然后将这种功能应用于现有的成熟的波束转向器中来实现高效率、大角度同时不失轻便和紧凑性。
2.1
波束转向器
2.2
液晶平面光子学
这里我们提出使用级联液晶平面器件来实现紧凑高效的微型望远镜系统。该系统旨在实现光学角度放大的功能，并且该功能与入射光束的空间位置无关。这种角度放大功能难以用单层光学器件实现。如图1所示，我们使用两层液晶平面器件来实现这个微型望远镜系统。每一层平面液晶器件被赋予不同的相位信息，并在空间上保持一个固定的距离。通过光线追踪优化，我们可以确定它们的相位以及这个空间距离以实现接近衍射极限的光学角度放大性能。
图1 级联液晶平面光学器件以实现与入射位置无关的光学角度放大功能
在实验中，我们根据所需的相位信息制备了不同的毫米级液晶平面光学器件。制备这些光学器件无需任何复杂的光刻步骤，全程只需对溶液进行分步处理。制备好不同的液晶平面光学器件后，我们组装了两种微型显微镜模组。设计中，模组1和2的放大倍率分别是1.67和2.75. 通过图2a的测量装置，我们发现测量的放大倍率和设计实现了很好的吻合。并且，模组1在设计的入射角范围内实现了>89.8%的效率，模组2实现了>84.6%的效率。通过更精确的器件制备，这些数字有望被进一步提高。根据测量结果，这种微型望远镜模组可以高效地扩大当前非机械光束转向器十分有限的调控范围。在我们的工作中，较短波长的激光（488纳米）被用来检测这些器件。通过将实验结果投射到车用激光雷达光束转向器的工作波长（例如905 纳米），可以预期最大输出角度范围为±27°左右。与入射场范围±5°的高效光相位阵列相比，可获得5.4倍的放大倍率。 对于更长的工作波长（例如1550 纳米）， 最大输出角度可以扩大为±37°左右，对应的放大倍也增至7.4倍。同时，我们还对输出光束的形貌进行了表征，以确保望远镜模块的高质量以及与高端光束转向器的兼容性。
图2 (a) 微型望远镜的测量装置图。通过调节M2反射镜，入射光角度可以被调节。同时，出射光角度可以通过三角学计算得到。(b) 模组1的出射角度和效率测量结果。(c) 模组2的出射角度和效率测量结果。
这里，我们提出使用级联液晶平面光学器件以实现光学角度放大功能。通过液晶平面光子学，我们制备了轻便、低成本、高效、高质量的微型显微镜模组。这种微型显微镜模组非常有望被用于高端非机械式光束转向器中以实现高效、大角度、高精度的光束角度控制。我们在此工作中也印证了使用级联液晶平面光学器件以实现新型光学功能的可行性，为液晶平面光子学打开一扇新的大门。
文章信息：
该研究成果以” Miniature planar telescopes for efficient, wide-angle, high-precision beam steering”为题在线发表在Light: Science & Applications。
本文作者为美国中佛罗里达大学博士生何子谦、尹坤，通讯作者为吴诗聪教授。
论文全文下载地址：
https://doi.org/10.1038/s41377-021-00576-9
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