Les scientifiques ont développé un extenseur d'angle de direction de faisceau à haute efficacité composé de deux éléments optiques diffractifs polymères à cristaux liquides. Pour un LiDAR (détection et télémétrie par la lumière) fonctionnant à 905 nm, l'angle de braquage peut être augmenté de 5,4 fois. Les applications potentielles incluent les véhicules autonomes et le suivi oculaire pour les écrans de réalité virtuelle.

Les optiques plates basées sur des cristaux liquides (LC) à motifs ont récemment suscité un vif intérêt dans la recherche. Par rapport aux métasurfaces diélectriques qui sont généralement fabriquées par un processus de lithographie sophistiqué, Optique planaire à base de polymère LC, en raison de leurs propriétés d'auto-assemblage, peut être fabriqué par le biais d'un processus tout-solution. Au cours des dernières décennies, une variété de dispositifs optiques planaires ont été démontrés sur la base de la manipulation de la phase géométrique (également appelée phase de Pancharatnum-Berry). L'épaisseur totale effective de l'appareil, comprenant la couche d'alignement de cristaux liquides sous-jacente et le polymère à cristaux liquides, est généralement de l'ordre de 1 µm.

Lentilles transmissives de qualité commerciale, grilles, et des processeurs de vortex optiques ont été développés au cours des dernières années. L'ingénierie de leurs bandes spectrales/angulaires de fonctionnement a été illustrée dans des dispositifs passifs et actifs. Par exemple, une structure multi-torsion peut être conçue pour personnaliser la bande passante spectrale/angulaire en tant que moyen passif, tandis que les dispositifs actifs qui peuvent répondre à des stimuli externes tels que le stress mécanique, champ électrique, Et léger, ont également été réalisés. Néanmoins, les explorations existantes se sont concentrées sur des fonctionnalités optiques pouvant être remplies par un dispositif monocouche. Une façon d'aller au-delà de la limite actuelle est de concevoir des optiques plates en cascade, où plus de degré de liberté est impliqué et ainsi des fonctionnalités plus distinctes peuvent être obtenues rationnellement. En attendant, les éléments optiques en cascade doivent encore conserver les avantages tels qu'un rendement élevé, compacité, faible poids, traitement facile, la flexibilité, et à faible coût.

Dans un nouvel article publié dans Science de la lumière et application, une équipe de scientifiques, dirigé par le professeur Shin-Tson Wu du Collège d'optique et de photonique, Université de Floride centrale, ETATS-UNIS, a proposé un élément optique plat LC en cascade, appelé télescope planaire miniature, pour obtenir un grossissement de l'angle de braquage indépendant de la position du faisceau incident. Une telle fonction de grossissement angulaire ne peut pas être réalisée avec un dispositif optique monocouche tel qu'un réseau ou une surface réfractive. Ce télescope planaire miniature se compose de deux éléments optiques plats. Les deux couches se voient attribuer des profils de phase suivant la somme des polynômes d'ordre pair et elles sont séparées dans l'espace. Grâce à des simulations de lancer de rayons, le système peut être optimisé en fonction de la taille d'ouverture spécifique et de la plage d'angles d'incidence, et des performances presque limitées par la diffraction peuvent être obtenues.

Dans les expériences, différents dispositifs de diffraction LC de tailles millimétriques avec divers f/# ont été fabriqués grâce à un traitement toute solution et assemblés en deux modules de télescope avec des facteurs de grossissement conçus de 1,67 (module I) et 2,75 (module II), respectivement. Le grossissement mesuré concordait bien avec les valeurs conçues. De plus, un rendement raisonnablement élevé (> 89,8 % pour le module I et> 84,6% pour le module II) a été atteint dans la plage d'angles d'incidence prévue. Grâce à l'analyse des erreurs, l'efficacité pourrait être améliorée en optimisant le processus de fabrication. L'équipe a démontré que le module du télescope peut être un candidat prometteur pour la direction non mécanique du faisceau afin d'étendre la plage de direction actuellement limitée (également connue sous le nom de champ de regard). Par exemple, pour les applications LiDAR (détection et télémétrie lumineuse) à =905 nm, une plage d'angle de sortie maximale de ±27° peut être attendue. Comparé à un réseau de phases optiques à haut rendement (orienteur de faisceau électronique le plus évolué) avec une plage de champ incident de ~±5°, un grossissement de 5,4 peut être acquis. Pour une longueur d'onde de fonctionnement plus longue, disons =1550 nm, la plage de direction peut être étendue à environ ± 37°, correspondant à un grossissement de 7,4. À cet égard, l'équipe a également caractérisé le profil du faisceau de sortie pour garantir la haute qualité des modules du télescope et la compatibilité avec les orienteurs de faisceau haut de gamme.

Avec le travail présenté, Wu et ses collègues ont fait preuve de légèreté, rentable, télescopes planaires miniatures pour le grossissement d'angle optique basés sur des optiques plates en polymère LC. Haute efficacité, facteurs de grossissement définissables, et une excellente qualité de faisceau rendent les télescopes proposés très prometteurs pour des applications pratiques nécessitant une technologie avancée de direction de faisceau laser. Plus important, il s'agit d'une nouvelle étape pour l'optique LC planaire qui va au-delà de son développement actuel.