Gli scienziati hanno sviluppato un espansore dell'angolo di sterzata del raggio ad alta efficienza costituito da due elementi ottici diffrattivi polimerici a cristalli liquidi. Per un LiDAR (rilevamento e distanza della luce) operante a 905 nm, l'angolo di sterzata può essere ampliato di 5,4 volte. Le potenziali applicazioni includono veicoli autonomi e eye-tracking per display di realtà virtuale.

L'ottica piatta basata su cristalli liquidi modellati (LC) ha recentemente ricevuto un ampio interesse di ricerca. Rispetto alle metasuperfici dielettriche che sono solitamente fabbricate con un sofisticato processo di litografia, Ottica planare a base di polimeri LC, grazie alle loro proprietà di autoassemblaggio, può essere fabbricato attraverso il processo di tutte le soluzioni. Negli ultimi decenni, è stata dimostrata una varietà di dispositivi ottici planari basati sulla manipolazione della fase geometrica (chiamata anche fase Pancharatnum-Berry). Lo spessore effettivo totale del dispositivo, compreso lo strato di allineamento dei cristalli liquidi sottostante e il polimero a cristalli liquidi, è solitamente dell'ordine di 1 μm.

Lenti trasmissive di qualità commerciale, grate, e negli ultimi anni sono stati sviluppati processori a vortice ottico. L'ingegneria delle loro bande spettrali/angolari operative è stata illustrata in dispositivi sia passivi che attivi. Per esempio, una struttura multi-twist può essere progettata per personalizzare la larghezza di banda spettrale/angolare come mezzo passivo, mentre dispositivi attivi in ​​grado di rispondere a stimoli esterni come stress meccanico, campo elettrico, e luce, sono state anche realizzate. Tuttavia, le esplorazioni esistenti si sono concentrate su funzionalità ottiche che possono essere soddisfatte da un dispositivo a strato singolo. Un modo per superare il limite di corrente è progettare ottiche piatte in cascata, dove è coinvolto più grado di libertà e quindi funzionalità più distinte possono essere raggiunte razionalmente. Intanto, gli elementi ottici in cascata dovrebbero comunque preservare i vantaggi come alta efficienza, compattezza, basso peso, facile elaborazione, flessibilità, e basso costo.

In un nuovo articolo pubblicato su Scienza e applicazione della luce, un team di scienziati, guidato dal Prof. Shin-Tson Wu del College of Optics and Photonics, Università della Florida centrale, STATI UNITI D'AMERICA, proposto un elemento ottico piatto LC in cascata, chiamato telescopio planare in miniatura, per ottenere un ingrandimento dell'angolo di sterzata indipendente dalla posizione del raggio incidente. Una tale funzione di ingrandimento angolare non può essere ottenuta con un dispositivo ottico a strato singolo come un reticolo o una superficie rifrangente. Questo telescopio planare in miniatura è costituito da due elementi ottici piatti. Ad entrambi i livelli vengono assegnati profili di fase seguendo la somma dei polinomi di ordine pari e sono separati nello spazio. Attraverso simulazioni di ray-tracing, il sistema può essere ottimizzato in base alla dimensione dell'apertura specifica e all'intervallo dell'angolo di incidenza, e si possono ottenere prestazioni quasi limitate dalla diffrazione.

Negli esperimenti, diversi dispositivi diffrattivi LC di dimensioni millimetriche con vari f/# sono stati fabbricati attraverso l'elaborazione di tutte le soluzioni e assemblati in due moduli del telescopio con fattori di ingrandimento progettati di 1,67 (modulo I) e 2,75 (modulo II), rispettivamente. L'ingrandimento misurato si accordava bene con i valori progettati. Inoltre, un'efficienza ragionevolmente alta (> 89,8% per modulo I e> 84,6% per il modulo II) è stato raggiunto all'interno dell'intervallo dell'angolo di incidenza progettato. Attraverso l'analisi degli errori, l'efficienza potrebbe essere migliorata ottimizzando il processo di fabbricazione. Il team ha dimostrato che il modulo del telescopio può essere un candidato promettente per lo sterzo del raggio non meccanico per espandere il raggio di sterzo attualmente limitato (noto anche come campo di considerazione). Per esempio, per applicazioni LiDAR (rilevamento e distanza della luce) a λ=905 nm, ci si può aspettare un angolo di uscita massimo di ±27°. Rispetto a un phase array ottico ad alta efficienza (il più avanzato sistema di guida a fascio elettronico) con un campo di campo incidente di ~±5°, è possibile acquisire un ingrandimento di 5,4. Per una lunghezza d'onda operativa più lunga, diciamo λ=1550 nm, il raggio di sterzata può essere ampliato a circa ±37°, corrispondente ad un ingrandimento di 7,4. A questo proposito, il team ha inoltre caratterizzato il profilo del raggio di uscita per garantire l'alta qualità dei moduli del telescopio e la compatibilità con i sistemi di orientamento del raggio di fascia alta.

Con il lavoro presentato, Wu e colleghi hanno dimostrato leggerezza, conveniente, telescopi planari miniaturizzati per l'ingrandimento dell'angolo ottico basati su ottiche piatte polimeriche LC. Alta efficienza, fattori di ingrandimento designabili, e l'eccellente qualità del raggio rendono i telescopi proposti molto promettenti per applicazioni pratiche che richiedono una tecnologia avanzata di orientamento del raggio laser. Ma ancora più importante, questa è una nuova pietra miliare per l'ottica LC planare che va oltre il suo attuale sviluppo.