Los científicos han desarrollado un expansor de ángulo de dirección del haz de alta eficiencia que consta de dos elementos ópticos difractivos poliméricos de cristal líquido. Para un LiDAR (detección de luz y rango) que funciona a 905 nm, el ángulo de dirección se puede ampliar 5,4 veces. Las aplicaciones potenciales incluyen vehículos autónomos y seguimiento ocular para pantallas de realidad virtual.

La óptica plana basada en cristales líquidos modelados (LC) ha recibido recientemente un gran interés en la investigación. En comparación con las metasuperficies dieléctricas que generalmente se fabrican mediante un sofisticado proceso de litografía, Óptica plana basada en polímeros LC, debido a sus propiedades de autoensamblaje, se puede fabricar mediante un proceso integral. Durante las últimas décadas, Se ha demostrado una variedad de dispositivos ópticos planos basados ​​en la manipulación de la fase geométrica (también denominada fase Pancharatnum-Berry). El espesor efectivo total del dispositivo, incluyendo la capa de alineación de cristal líquido subyacente y el polímero de cristal líquido, suele ser del orden de 1 μm.

Lentes transmisivas de calidad comercial, rejillas y procesadores de vórtice ópticos se han desarrollado en los últimos años. La ingeniería de sus bandas espectrales / angulares operativas se ha ilustrado tanto en dispositivos pasivos como activos. Por ejemplo, se puede diseñar una estructura de torsión múltiple para personalizar el ancho de banda espectral / angular como un medio pasivo, mientras que los dispositivos activos que pueden responder a estímulos externos como el estrés mecánico, campo eléctrico, y ligero, también se han realizado. Sin embargo, las exploraciones existentes se han centrado en funcionalidades ópticas que pueden ser cumplidas por un dispositivo de una sola capa. Una forma de ir más allá del límite actual es diseñar ópticas planas en cascada, donde se trata de un mayor grado de libertad y, por lo tanto, se pueden lograr racionalmente funcionalidades más distintas. Mientras tanto, los elementos ópticos en cascada aún deben conservar las ventajas tales como alta eficiencia, compacidad bajo peso, fácil procesamiento, flexibilidad, y bajo costo.

En un nuevo artículo publicado en Ciencia y aplicación de la luz, un equipo de científicos, dirigido por el profesor Shin-Tson Wu de la Facultad de Óptica y Fotónica, Universidad de Florida Central, ESTADOS UNIDOS, propuso un elemento óptico plano LC en cascada, llamado telescopio plano en miniatura, para lograr un aumento del ángulo de dirección independientemente de la posición del haz incidente. Tal función de aumento de ángulo no se puede lograr con un dispositivo óptico de una sola capa, como una rejilla o una superficie refractiva. Este telescopio plano en miniatura consta de dos elementos ópticos planos. A ambas capas se les asignan perfiles de fase siguiendo la suma de polinomios de orden par y están separadas en el espacio. A través de simulaciones de trazado de rayos, el sistema se puede optimizar de acuerdo con el tamaño de apertura específico y el rango del ángulo de incidencia, y se puede obtener un rendimiento casi limitado por difracción.

En experimentos, Se fabricaron diferentes dispositivos difractivos LC en tamaños milimétricos con varios f / # mediante el procesamiento de todas las soluciones y se ensamblaron en dos módulos de telescopio con factores de aumento diseñados de 1,67 (módulo I) y 2,75 (módulo II). respectivamente. El aumento medido concuerda bien con los valores diseñados. Es más, una eficiencia razonablemente alta (> 89,8% para módulo I y> 84,6% para el módulo II) se logró dentro del rango de ángulo de incidencia diseñado. A través del análisis de errores, la eficiencia podría mejorarse optimizando el proceso de fabricación. El equipo demostró que el módulo del telescopio puede ser un candidato prometedor para la dirección del haz no mecánico para ampliar el rango de dirección actualmente limitado (también conocido como campo de visión). Por ejemplo, para aplicaciones LiDAR (detección de luz y rango) a λ =905 nm, Se puede esperar un rango de ángulo de salida máximo de ± 27 °. En comparación con una matriz de fase óptica de alta eficiencia (la dirección de haz electrónico más madura) con un rango de campo incidente de ~ ± 5 °, se puede adquirir un aumento de 5,4. Para una longitud de onda de funcionamiento más larga, digamos λ =1550 nm, el rango de dirección se puede ampliar a aproximadamente ± 37 °, correspondiente a un aumento de 7,4. A este respecto, el equipo también caracterizó el perfil del haz de salida para garantizar la alta calidad de los módulos del telescopio y la compatibilidad con los tubos de dirección de haz de alta gama.

Con el trabajo presentado, Wu y sus compañeros de trabajo demostraron ligereza, económico, Telescopios planos en miniatura para aumento de ángulo óptico basados ​​en ópticas planas de polímero LC. Alta eficiencia, factores de aumento designables, y la excelente calidad del rayo hacen que los telescopios propuestos sean muy prometedores para aplicaciones prácticas que requieren tecnología avanzada de dirección de rayo láser. Más importante, Este es un nuevo hito para que la óptica LC plana vaya más allá de su desarrollo actual.