非機(jī)械式波束轉(zhuǎn)向器在無人駕駛汽車的激光雷達(dá)、近眼顯示的眼動追蹤、顯微鏡、光鑷以及高精度三維打印技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。在這些應(yīng)用中，輕巧、緊湊、高效率、高精度和（或）大角度的波束轉(zhuǎn)向器是長期以來夢寐以求的。但是目前最成熟的基于光相位陣列的激光波束轉(zhuǎn)向技術(shù)只能在很小角度范圍內(nèi)提供準(zhǔn)連續(xù)的、高效的波束轉(zhuǎn)向。因此，設(shè)計(jì)更先進(jìn)的擁有上述特征的波束轉(zhuǎn)向器一直是該方向研究的熱點(diǎn)。
近年來，基于液晶的平面光子學(xué)得到了廣泛的研究。表面液晶取向?qū)拥娜我庹{(diào)控給平面液晶器件提供了極大的二維相位操控自由度。另外，它還具備高效率、輕薄、低成本、容易制備、柔性、對環(huán)境刺激響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。由于這些優(yōu)點(diǎn)，許多高質(zhì)量甚至是商用的液晶平面器件在近年得以實(shí)現(xiàn)。然而，以往的研究多關(guān)注在如何使用單層液晶器件實(shí)現(xiàn)不同的光學(xué)功能。通過級聯(lián)平面光子器件，更多獨(dú)特的光學(xué)功能可以被實(shí)現(xiàn)。
近日，美國中佛羅里達(dá)大學(xué)吳詩聰教授團(tuán)隊(duì)提出使用級聯(lián)平面光子器件實(shí)現(xiàn)光學(xué)角度放大功能，然后將這種功能應(yīng)用于現(xiàn)有的成熟的波束轉(zhuǎn)向器中來實(shí)現(xiàn)高效率、大角度同時不失輕便和緊湊性。該成果以 Miniature planar telescopes for efficient, wide-angle, high-precision beam steering 為題發(fā)表在 Light: Science & Applications。
波束轉(zhuǎn)向器
波束轉(zhuǎn)向器在早年被廣泛地應(yīng)用在空間探測中。傳統(tǒng)的波束轉(zhuǎn)向器是基于機(jī)械式多軸可調(diào)的鏡子（Gimbal mirror）。這種機(jī)械式的波束轉(zhuǎn)向器可以實(shí)現(xiàn)大角度連續(xù)的波束角度調(diào)控，但是其大的慣性、高能耗和短使用周期使得研究人員們關(guān)注于非機(jī)械式轉(zhuǎn)向器。目前有許多種非機(jī)械式波束轉(zhuǎn)向器，例如光相位陣列、基于光波導(dǎo)的轉(zhuǎn)向器、可調(diào)超表面、以及級聯(lián)高效率光柵等等。其中，基于液晶的光相位陣列是目前市面上最成熟的技術(shù)。它能在一個小角度范圍內(nèi)提供準(zhǔn)連續(xù)的、高效的角度調(diào)控。同時，它是十分輕便的、緊湊的、低功耗的。然而這種技術(shù)所能實(shí)現(xiàn)的角度調(diào)控范圍十分有限。例如，在905納米波段（車載激光雷達(dá)常用波段），它的最大可調(diào)范圍僅有正負(fù)5°左右。通過在其后添加一個微型望遠(yuǎn)鏡模組可能使其角度范圍大大增加。但是傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)的望遠(yuǎn)鏡模組難以同時實(shí)現(xiàn)輕薄、緊湊、低成本、高質(zhì)量。
液晶平面光子學(xué)
基于液晶的平面光子學(xué)近年來得到了廣泛的研究。相較于需要復(fù)雜光刻制成的介電超表面，平面液晶光學(xué)器件得益于液晶自組裝的性質(zhì)從而可以使制成過程大大簡化。在這些液晶器件中，液晶的取向可以便捷地通過一層很薄的表面光取向?qū)樱?0納米左右厚度）來調(diào)控。這樣，人們很容易實(shí)現(xiàn)在空間中任意排布折射率的各向異性，從而實(shí)現(xiàn)光的幾何相位調(diào)控。這些平面液晶器件的厚度通常在微米級別。在過去，研究人員們報(bào)道了許許多多高質(zhì)量的透鏡、光柵、渦旋光處理器等等。不光是透射型器件，基于膽甾型液晶的反射型器件最近也得到充分研究。與此同時，對這些器件的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行主動或者被動的調(diào)控也是研究熱點(diǎn)之一。例如，基于多層旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的聚合液晶被用來調(diào)控工作波長和角度響應(yīng)；利用液晶對刺激響應(yīng)的性質(zhì)可以制成光、電、熱、機(jī)械響應(yīng)器件等等。然而，目前的探究多注重于單一液晶器件。從單一液晶器件過渡到級聯(lián)液晶器件，我們預(yù)想更多的光學(xué)功能可以被實(shí)現(xiàn)，同時保持這些液晶器件的優(yōu)點(diǎn)。
工作亮點(diǎn)
這里我們提出使用級聯(lián)液晶平面器件來實(shí)現(xiàn)緊湊高效的微型望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。該系統(tǒng)旨在實(shí)現(xiàn)光學(xué)角度放大的功能，并且該功能與入射光束的空間位置無關(guān)。這種角度放大功能難以用單層光學(xué)器件實(shí)現(xiàn)。如圖1所示，我們使用兩層液晶平面器件來實(shí)現(xiàn)這個微型望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。每一層平面液晶器件被賦予不同的相位信息，并在空間上保持一個固定的距離。通過光線追蹤優(yōu)化，我們可以確定它們的相位以及這個空間距離以實(shí)現(xiàn)接近衍射極限的光學(xué)角度放大性能。在實(shí)驗(yàn)中，我們根據(jù)所需的相位信息制備了不同的毫米級液晶平面光學(xué)器件。制備這些光學(xué)器件無需任何復(fù)雜的光刻步驟，全程只需對溶液進(jìn)行分步處理。制備好不同的液晶平面光學(xué)器件后，我們組裝了兩種微型顯微鏡模組。設(shè)計(jì)中，模組1和2的放大倍率分別是1.67和2.75. 通過圖2a的測量裝置，我們發(fā)現(xiàn)測量的放大倍率和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了很好的吻合。并且，模組1在設(shè)計(jì)的入射角范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了>89.8%的效率，模組2實(shí)現(xiàn)了>84.6%的效率。通過更精確的器件制備，這些數(shù)字有望被進(jìn)一步提高。根據(jù)測量結(jié)果，這種微型望遠(yuǎn)鏡模組可以高效地?cái)U(kuò)大當(dāng)前非機(jī)械光束轉(zhuǎn)向器十分有限的調(diào)控范圍。在我們的工作中，較短波長的激光（488納米）被用來檢測這些器件。通過將實(shí)驗(yàn)結(jié)果投射到車用激光雷達(dá)光束轉(zhuǎn)向器的工作波長（例如905 納米），可以預(yù)期最大輸出角度范圍為±27°左右。與入射場范圍±5°的高效光相位陣列相比，可獲得5.4倍的放大倍率。對于更長的工作波長（例如1550 納米）， 最大輸出角度可以擴(kuò)大為±37°左右，對應(yīng)的放大倍也增至7.4倍。同時，我們還對輸出光束的形貌進(jìn)行了表征，以確保望遠(yuǎn)鏡模塊的高質(zhì)量以及與高端光束轉(zhuǎn)向器的兼容性。這里，我們提出使用級聯(lián)液晶平面光學(xué)器件以實(shí)現(xiàn)光學(xué)角度放大功能。通過液晶平面光子學(xué)，我們制備了輕便、低成本、高效、高質(zhì)量的微型顯微鏡模組。這種微型顯微鏡模組非常有望被用于高端非機(jī)械式光束轉(zhuǎn)向器中以實(shí)現(xiàn)高效、大角度、高精度的光束角度控制。我們在此工作中也印證了使用級聯(lián)液晶平面光學(xué)器件以實(shí)現(xiàn)新型光學(xué)功能的可行性，為液晶平面光子學(xué)打開一扇新的大門。
論文信息
He, Z., Yin, K. & Wu, ST. Miniature planar telescopes for efficient, wide-angle, high-precision beam steering. Light Sci Appl 10, 134 (2021).
本文作者為美國中佛羅里達(dá)大學(xué)博士生何子謙、尹坤，通訊作者為吳詩聰教授。
論文地址
https://doi.org/10.1038/s41377-021-00576-9