液晶平面フォトニクスは、新しい非機械的ライダーを支援します

非機械式ビームステアリングデバイスは、自動運転車のLIDAR、ニアアイディスプレイのアイトラッキング、顕微鏡、光ピンセット、および高精度3Dプリント技術で幅広い用途があります。 これらの用途では、軽量、コンパクト、高効率、高精度、および/または大角度のビームステアリングデバイスが長い間夢見てきました。 ただし、光学フェーズアレイに基づく最も成熟したレーザービームステアリング技術は、狭い角度範囲で準連続的かつ効率的なビームステアリングしか提供できません。 したがって、上記の特性を備えたより高度なビームステアリングデバイスの設計は、常にこの方向の研究の焦点であった。

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近年、液晶ベースの平面フォトニクスが広く研究されています。表面液晶配向層の任意の調整は、平面液晶デバイスに二次元位相制御の大きな自由度を提供する。さらに、高効率、軽量、低コスト、簡単な準備、柔軟性、および環境刺激への応答という利点もあります。これらの利点により、近年、多くの高品質で市販の液晶平面デバイスが実現されています。ただし、これまでの研究では、単層液晶デバイスを使用してさまざまな光学機能を実現する方法に焦点が当てられていました。平面フォトニックデバイスをカスケード接続することにより、よりユニークな光学機能を実現できます。
最近、セントラルフロリダ大学のShicong Wu教授のチームは、カスケード平面フォトニックデバイスを使用して光学角度増幅機能を実現し、この機能を既存の成熟したビームステアリングデバイスに適用して、高効率、大角度を実現することを提案しました。軽量性と携帯性。コンパクトさ。この結果は、Light：Science＆Applicationsに、効率的で広角の高精度ビームステアリング用のミニチュア平面望遠鏡というタイトルで公開されました。
ビームステアリング
ビームステアリング装置は、初期の宇宙探査で広く使用されていました。従来のビームステアリングデバイスは、機械的な多軸調整可能ミラー（ジンバルミラー）に基づいています。この機械式ビームステアリングデバイスは、大角度の連続ビーム角度制御を実現できますが、その大きな慣性、高いエネルギー消費、および短いライフサイクルにより、研究者は非機械式ステアリングデバイスに焦点を合わせています。非機械的ビームステアリングデバイスには、光フェーズアレイ、光導波路ベースのステアリングデバイス、調整可能なメタサーフェス、カスケード接続された高効率グレーティングなど、さまざまな種類があります。その中で、液晶ベースの光学フェーズアレイは、現在、市場で最も成熟した技術です。狭い角度範囲で準連続的かつ効率的な角度制御を提供できます。同時に、それは非常にポータブルで、コンパクトで、低消費電力です。ただし、この技術で実現できる角度制御の範囲は非常に限られています。たとえば、905ナノメートルの帯域（自動車のLIDARで一般的に使用される帯域）では、調整可能な最大範囲は約プラスマイナス5°です。その後に小型望遠鏡モジュールを追加することで、角度範囲を大幅に拡大することができます。しかし、従来の光学設計の望遠鏡モジュールでは、軽量性、コンパクト性、低コスト、高品質を同時に実現することは困難です。
液晶平面フォトニクス
近年、液晶をベースにした平面フォトニクスが広く研究されています。複雑なフォトリソグラフィーを必要とする誘電体表面と比較して、平面液晶光学デバイスは、液晶の自己組織化特性の恩恵を受け、製造プロセスを大幅に簡素化することができます。これらの液晶デバイスでは、液晶の配向は、非常に薄い表面光配向層（厚さ約10ナノメートル）によって便利に制御することができます。このように、光の幾何学的位相の制御を実現するために、人々は屈折率の異方性を空間に任意に配置することが容易である。これらの平坦な液晶デバイスの厚さは、通常、ミクロンのオーダーです。過去に、研究者は多くの高品質のレンズ、グレーティング、渦光学プロセッサなどについて報告しました。最近、透過型デバイスだけでなく、コレステリック液晶をベースにした反射型デバイスも十分に研究されています。同時に、これらのデバイスの光学特性のアクティブまたはパッシブ制御も研究のホットスポットの1つです。例えば、多層回転構造に基づく重合液晶は、作動波長および角度応答を制御するために使用され、刺激に応答するための液晶の使用は、光学的、電気的、熱的、機械的応答デバイスなどになり得る。ただし、現在の研究は単一液晶デバイスに焦点を当てています。単一の液晶デバイスからカスケード液晶デバイスまで、これらの液晶デバイスの利点を維持しながら、より多くの光学機能を実現できると考えています。
仕事のハイライト
ここでは、コンパクトで効率的なマイクロ望遠鏡システムを実現するために、カスケード液晶平面デバイスの使用を提案します。このシステムは、光学角度拡大の機能を実現することを目的としており、この機能は入射ビームの空間位置に依存しません。このような角度拡大機能は、単層光学デバイスでは実現が難しい。図1に示すように、この小型望遠鏡システムを実装するために、2層の液晶平面デバイスを使用します。平面液晶デバイスの各層には異なる位相情報が与えられ、空間内で一定の距離を維持します。レイトレーシングの最適化により、位相とこの空間距離を決定し、回折限界に近い光学角度増幅性能を実現できます。実験では、必要な位相情報に応じて、さまざまなミリメートルレベルの液晶平面光学デバイスを準備しました。これらの光学デバイスの準備は、複雑なフォトリソグラフィーステップを必要とせず、溶液のみがプロセス全体で段階的に処理されます。さまざまな液晶フラット光学系を準備した後、2つの小型顕微鏡モジュールを組み立てました。設計では、モジュール1と2の倍率はそれぞれ1.67と2.75です。図2aの測定装置を通して、測定された倍率と設計がよく一致していることがわかります。さらに、モジュール1は設計された入射角範囲内で> 89.8％の効率を達成し、モジュール2は> 84.6％の効率を達成します。より正確なデバイスの準備を通じて、これらの数値はさらに改善されることが期待されます。測定結果によると、この小型望遠鏡モジュールは、現在の非機械式ビームリダイレクタの非常に限られた制御範囲を効率的に拡張できます。私たちの仕事では、これらのデバイスを検出するために、より短い波長のレーザー（488ナノメートル）が使用されています。実験結果を自動車用レーザーレーダービームリダイレクタの動作波長（たとえば、905ナノメートル）に投影することにより、最大出力角度範囲は約±27°になると予想できます。入射フィールド範囲が±5°の高効率光学フェーズドアレイと比較して、5.4倍の倍率を得ることができます。より長い動作波長（1550 nmなど）の場合、最大出力角度を約±37°に拡大でき、対応する倍率も7.4倍に拡大されます。同時に、望遠鏡モジュールの高品質とハイエンドビームリダイレクタとの互換性を確保するために、出力ビームの形状も特性評価しました。ここでは、カスケード液晶平面光学を使用して、光学角度拡大機能を実現することを提案します。液晶平面フォトニクスにより、軽量、低コスト、高効率、高品質の小型顕微鏡モジュールをご用意しました。この小型顕微鏡モジュールは、ハイエンドの非機械的ビームリダイレクタで使用され、高効率、大角度、高精度のビーム角度制御を実現することが非常に期待されています。この研究では、カスケード液晶平面光学を使用して新しい光学機能を実現することの実現可能性も確認し、液晶平面フォトニクスの新しい扉を開きました。