Os cientistas desenvolveram um expansor de ângulo de direção de feixe de alta eficiência que consiste em dois elementos ópticos difrativos poliméricos de cristal líquido. Para um LiDAR (detecção e alcance de luz) operando a 905 nm, o ângulo de direção pode ser expandido em 5,4 vezes. As aplicações potenciais incluem veículos autônomos e rastreamento ocular para telas de realidade virtual.

A óptica plana baseada em cristais líquidos padronizados (LCs) recebeu recentemente um amplo interesse de pesquisa. Em comparação com metassuperfícies dielétricas que geralmente são fabricadas por sofisticado processo de litografia, Óptica planar baseada em polímero LC, devido às suas propriedades de automontagem, pode ser fabricado por meio de um processo de solução completa. Durante as últimas décadas, uma variedade de dispositivos ópticos planares foi demonstrada com base na manipulação de fase geométrica (também chamada de fase Pancharatnum-Berry). A espessura total efetiva do dispositivo, incluindo a camada de alinhamento de cristal líquido subjacente e o polímero de cristal líquido, geralmente é da ordem de 1 μm.

Lentes transmissivas de qualidade comercial, grades, e processadores ópticos de vórtice foram desenvolvidos nos últimos anos. A engenharia de suas bandas espectrais / angulares operacionais foi ilustrada em dispositivos passivos e ativos. Por exemplo, uma estrutura de torção múltipla pode ser projetada para personalizar a largura de banda espectral / angular como um meio passivo, enquanto dispositivos ativos que podem responder a estímulos externos, como estresse mecânico, campo elétrico, e luz, também foram realizados. No entanto, as explorações existentes têm se concentrado em funcionalidades ópticas que podem ser realizadas por um dispositivo de camada única. Uma maneira de ir além do limite de corrente é projetar lentes planas em cascata, onde mais grau de liberdade está envolvido e, portanto, funcionalidades mais distintas podem ser alcançadas racionalmente. Enquanto isso, os elementos ópticos em cascata ainda devem preservar as vantagens, como alta eficiência, compacidade, baixo peso, processamento fácil, flexibilidade, e baixo custo.

Em um novo artigo publicado em Light Science &Application, uma equipe de cientistas, liderado pelo Prof. Shin-Tson Wu da Faculdade de Óptica e Fotônica, University of Central Florida, EUA, propôs um elemento óptico plano LC em cascata, chamado de telescópio planar em miniatura, para alcançar a ampliação do ângulo de direção independente da posição do feixe incidente. Essa função de ampliação de ângulo não pode ser alcançada com um dispositivo óptico de camada única, como uma grade ou uma superfície refrativa. Este telescópio planar em miniatura consiste em dois elementos ópticos planos. Ambas as camadas são atribuídas a perfis de fase seguindo a soma de polinômios de ordem par e são separadas no espaço. Por meio de simulações de traçado de raio, o sistema pode ser otimizado de acordo com o tamanho de abertura específico e faixa de ângulo incidente, e desempenho quase limitado por difração pode ser obtido.

Em experimentos, diferentes dispositivos difrativos LC em tamanhos de milímetros com vários f / # foram fabricados por meio de processamento de todas as soluções e montados em dois módulos de telescópio com fatores de ampliação projetados de 1,67 (módulo I) e 2,75 (módulo II), respectivamente. A ampliação medida concordou bem com os valores projetados. Além disso, uma eficiência razoavelmente alta (> 89,8% para o módulo I e> 84,6% para o módulo II) foi alcançado dentro da faixa de ângulo incidente projetada. Por meio da análise de erros, a eficiência pode ser melhorada otimizando o processo de fabricação. A equipe demonstrou que o módulo telescópio pode ser um candidato promissor para direcionamento não mecânico do feixe para expandir o alcance de direcionamento atualmente limitado (também conhecido como campo de visão). Por exemplo, para aplicações LiDAR (detecção e alcance de luz) em λ =905 nm, pode-se esperar uma faixa máxima do ângulo de saída de ± 27 °. Em comparação com uma matriz de fase óptica de alta eficiência (direção de feixe eletrônico mais desenvolvida) com uma faixa de campo incidente de ~ ± 5 °, uma ampliação de 5,4 pode ser adquirida. Para um comprimento de onda de operação mais longo, diga λ =1550 nm, a faixa de direção pode ser expandida para cerca de ± 37 °, correspondendo a uma ampliação de 7,4. A respeito disso, a equipe também caracterizou o perfil do feixe de saída para garantir a alta qualidade dos módulos do telescópio e a compatibilidade com direcionadores de feixe de ponta.

Com o trabalho apresentado, Wu e colegas de trabalho demonstraram ser leves, custo-beneficio, telescópios planos em miniatura para ampliação de ângulo óptico com base em óptica plana de polímero LC. Alta eficiência, fatores de ampliação designáveis, e a excelente qualidade do feixe tornam os telescópios propostos altamente promissores para aplicações práticas que requerem tecnologia avançada de direcionamento do feixe de laser. Mais importante, este é um novo marco para a ótica LC planar ir além do seu desenvolvimento atual.