非機械式波束轉向器在無人駕駛汽車的激光雷達、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中有著廣泛的應用。在這些應用中，輕巧、緊湊、高效率、高精度和（或）大角度的波束轉向器是長期以來夢寐以求的。但是目前最成熟的基於(yu) 光相位陣列的激光波束轉向技術隻能在很小角度範圍內(nei) 提供準連續的、高效的波束轉向。因此，設計更先進的擁有上述特征的波束轉向器一直是該方向研究的熱點。
近年來，基於(yu) 液晶的平麵光子學得到了廣泛的研究。表麵液晶取向層的任意調控給平麵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、容易製備、柔性、對環境刺激響應等優(you) 點。由於(yu) 這些優(you) 點，許多高質量甚至是商用的液晶平麵器件在近年得以實現。然而，以往的研究多關(guan) 注在如何使用單層液晶器件實現不同的光學功能。通過級聯平麵光子器件，更多獨特的光學功能可以被實現。
近日，美國中佛羅裏達大學吳詩聰教授團隊提出使用級聯平麵光子器件實現光學角度放大功能，然後將這種功能應用於(yu) 現有的成熟的波束轉向器中來實現高效率、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(wei) 題發表在 Light: Science & Applications。
波束轉向器
波束轉向器在早年被廣泛地應用在空間探測中。傳(chuan) 統的波束轉向器是基於(yu) 機械式多軸可調的鏡子（Gimbal mirror）。這種機械式的波束轉向器可以實現大角度連續的波束角度調控，但是其大的慣性、高能耗和短使用周期使得研究人員們(men) 關(guan) 注於(yu) 非機械式轉向器。目前有許多種非機械式波束轉向器，例如光相位陣列、基於(yu) 光波導的轉向器、可調超表麵、以及級聯高效率光柵等等。其中，基於(yu) 液晶的光相位陣列是目前市麵上最成熟的技術。它能在一個(ge) 小角度範圍內(nei) 提供準連續的、高效的角度調控。同時，它是十分輕便的、緊湊的、低功耗的。然而這種技術所能實現的角度調控範圍十分有限。例如，在905納米波段（車載激光雷達常用波段），它的最大可調範圍僅(jin) 有正負5°左右。通過在其後添加一個(ge) 微型望遠鏡模組可能使其角度範圍大大增加。但是傳(chuan) 統光學設計的望遠鏡模組難以同時實現輕薄、緊湊、低成本、高質量。
液晶平麵光子學
基於(yu) 液晶的平麵光子學近年來得到了廣泛的研究。相較於(yu) 需要複雜光刻製成的介電超表麵，平麵液晶光學器件得益於(yu) 液晶自組裝的性質從(cong) 而可以使製成過程大大簡化。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麵光取向層（10納米左右厚度）來調控。這樣，人們(men) 很容易實現在空間中任意排布折射率的各向異性，從(cong) 而實現光的幾何相位調控。這些平麵液晶器件的厚度通常在微米級別。在過去，研究人員們(men) 報道了許許多多高質量的透鏡、光柵、渦旋光處理器等等。不光是透射型器件，基於(yu) 膽甾型液晶的反射型器件最近也得到充分研究。與(yu) 此同時，對這些器件的光學性質進行主動或者被動的調控也是研究熱點之一。例如，基於(yu) 多層旋轉結構的聚合液晶被用來調控工作波長和角度響應；利用液晶對刺激響應的性質可以製成光、電、熱、機械響應器件等等。然而，目前的探究多注重於(yu) 單一液晶器件。從(cong) 單一液晶器件過渡到級聯液晶器件，我們(men) 預想更多的光學功能可以被實現，同時保持這些液晶器件的優(you) 點。
工作亮點
這裏我們(men) 提出使用級聯液晶平麵器件來實現緊湊高效的微型望遠鏡係統。該係統旨在實現光學角度放大的功能，並且該功能與(yu) 入射光束的空間位置無關(guan) 。這種角度放大功能難以用單層光學器件實現。如圖1所示，我們(men) 使用兩(liang) 層液晶平麵器件來實現這個(ge) 微型望遠鏡係統。每一層平麵液晶器件被賦予不同的相位信息，並在空間上保持一個(ge) 固定的距離。通過光線追蹤優(you) 化，我們(men) 可以確定它們(men) 的相位以及這個(ge) 空間距離以實現接近衍射極限的光學角度放大性能。在實驗中，我們(men) 根據所需的相位信息製備了不同的毫米級液晶平麵光學器件。製備這些光學器件無需任何複雜的光刻步驟，全程隻需對溶液進行分步處理。製備好不同的液晶平麵光學器件後，我們(men) 組裝了兩(liang) 種微型顯微鏡模組。設計中，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(men) 發現測量的放大倍率和設計實現了很好的吻合。並且，模組1在設計的入射角範圍內(nei) 實現了>89.8%的效率，模組2實現了>84.6%的效率。通過更精確的器件製備，這些數字有望被進一步提高。根據測量結果，這種微型望遠鏡模組可以高效地擴大當前非機械光束轉向器十分有限的調控範圍。在我們(men) 的工作中，較短波長的激光（488納米）被用來檢測這些器件。通過將實驗結果投射到車用激光雷達光束轉向器的工作波長（例如905 納米），可以預期最大輸出角度範圍為(wei) ±27°左右。與(yu) 入射場範圍±5°的高效光相位陣列相比，可獲得5.4倍的放大倍率。對於(yu) 更長的工作波長（例如1550 納米）， 最大輸出角度可以擴大為(wei) ±37°左右，對應的放大倍也增至7.4倍。同時，我們(men) 還對輸出光束的形貌進行了表征，以確保望遠鏡模塊的高質量以及與(yu) 高端光束轉向器的兼容性。這裏，我們(men) 提出使用級聯液晶平麵光學器件以實現光學角度放大功能。通過液晶平麵光子學，我們(men) 製備了輕便、低成本、高效、高質量的微型顯微鏡模組。這種微型顯微鏡模組非常有望被用於(yu) 高端非機械式光束轉向器中以實現高效、大角度、高精度的光束角度控製。我們(men) 在此工作中也印證了使用級聯液晶平麵光學器件以實現新型光學功能的可行性，為(wei) 液晶平麵光子學打開一扇新的大門。
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(wei) 美國中佛羅裏達大學博士生何子謙、尹坤，通訊作者為(wei) 吳詩聰教授。
論文地址
https://doi.org/10.1038/s41377-021-00576-9