液晶平面光子学助力新型非机械激光雷达

01——导读

非机械式波束转向器在无人驾驶汽车的激光雷达、近眼显示的眼动追踪、显微镜、光镊以及高精度三维打印技术中有着广泛的应用。在这些应用中，轻巧、紧凑、高效率、高精度和（或）大角度的波束转向器是长期以来梦寐以求的。但是目前最成熟的基于光相位阵列的激光波束转向技术只能在很小角度范围内提供准连续的、高效的波束转向。因此，设计更先进的拥有上述特征的波束转向器一直是该方向研究的热点。

近年来，基于液晶的平面光子学得到了广泛的研究。表面液晶取向层的任意调控给平面液晶器件提供了极大的二维相位操控自由度。另外，它还具备高效率、轻薄、低成本、容易制备、柔性、对环境刺激响应等优点。由于这些优点，许多高质量甚至是商用的液晶平面器件在近年得以实现。然而，以往的研究多关注在如何使用单层液晶器件实现不同的光学功能。通过级联平面光子器件，更多独特的光学功能可以被实现。

近日，美国中佛罗里达大学吴诗聪教授团队提出使用级联平面光子器件实现光学角度放大功能，然后将这种功能应用于现有的成熟的波束转向器中来实现高效率、大角度同时不失轻便和紧凑性。

02——研究背景

2.1波束转向器

波束转向器在早年被广泛地应用在空间探测中。传统的波束转向器是基于机械式多轴可调的镜子（Gimbal mirror）。这种机械式的波束转向器可以实现大角度连续的波束角度调控，但是其大的惯性、高能耗和短使用周期使得研究人员们关注于非机械式转向器。目前有许多种非机械式波束转向器，例如光相位阵列、基于光波导的转向器、可调超表面、以及级联高效率光栅等等。其中，基于液晶的光相位阵列是目前市面上最成熟的技术。它能在一个小角度范围内提供准连续的、高效的角度调控。同时，它是十分轻便的、紧凑的、低功耗的。然而这种技术所能实现的角度调控范围十分有限。例如，在905纳米波段（车载激光雷达常用波段），它的最大可调范围仅有正负5°左右。通过在其后添加一个微型望远镜模组可能使其角度范围大大增加。但是传统光学设计的望远镜模组难以同时实现轻薄、紧凑、低成本、高质量。

2.2液晶平面光子学

基于液晶的平面光子学近年来得到了广泛的研究。相较于需要复杂光刻制成的介电超表面，平面液晶光学器件得益于液晶自组装的性质从而可以使制成过程大大简化。在这些液晶器件中，液晶的取向可以便捷地通过一层很薄的表面光取向层（10纳米左右厚度）来调控。这样，人们很容易实现在空间中任意排布折射率的各向异性，从而实现光的几何相位调控。这些平面液晶器件的厚度通常在微米级别。在过去，研究人员们报道了许许多多高质量的透镜、光栅、涡旋光处理器等等。不光是透射型器件，基于胆甾型液晶的反射型器件最近也得到充分研究。与此同时，对这些器件的光学性质进行主动或者被动的调控也是研究热点之一。例如，基于多层旋转结构的聚合液晶被用来调控工作波长和角度响应；利用液晶对刺激响应的性质可以制成光、电、热、机械响应器件等等。然而，目前的探究多注重于单一液晶器件。从单一液晶器件过渡到级联液晶器件，我们预想更多的光学功能可以被实现，同时保持这些液晶器件的优点。

03——创新研究

这里我们提出使用级联液晶平面器件来实现紧凑高效的微型望远镜系统。该系统旨在实现光学角度放大的功能，并且该功能与入射光束的空间位置无关。这种角度放大功能难以用单层光学器件实现。如图1所示，我们使用两层液晶平面器件来实现这个微型望远镜系统。每一层平面液晶器件被赋予不同的相位信息，并在空间上保持一个固定的距离。通过光线追踪优化，我们可以确定它们的相位以及这个空间距离以实现接近衍射极限的光学角度放大性能。

图1 级联液晶平面光学器件以实现与入射位置无关的光学角度放大功能

在实验中，我们根据所需的相位信息制备了不同的毫米级液晶平面光学器件。制备这些光学器件无需任何复杂的光刻步骤，全程只需对溶液进行分步处理。制备好不同的液晶平面光学器件后，我们组装了两种微型显微镜模组。设计中，模组1和2的放大倍率分别是1.67和2.75. 通过图2a的测量装置，我们发现测量的放大倍率和设计实现了很好的吻合。并且，模组1在设计的入射角范围内实现了>89.8%的效率，模组2实现了>84.6%的效率。通过更精确的器件制备，这些数字有望被进一步提高。根据测量结果，这种微型望远镜模组可以高效地扩大当前非机械光束转向器十分有限的调控范围。在我们的工作中，较短波长的激光（488纳米）被用来检测这些器件。通过将实验结果投射到车用激光雷达光束转向器的工作波长（例如905 纳米），可以预期最大输出角度范围为±27°左右。与入射场范围±5°的高效光相位阵列相比，可获得5.4倍的放大倍率。对于更长的工作波长（例如1550 纳米）， 最大输出角度可以扩大为±37°左右，对应的放大倍也增至7.4倍。同时，我们还对输出光束的形貌进行了表征，以确保望远镜模块的高质量以及与高端光束转向器的兼容性。

图2（a)微型望远镜的测量装置图，通过调节M2反射镜，入射光角度可以被调节。同时，出射光角度可以通过三角学计算得到。(b)模组1的出射角度和效率测量结果。(c)模组2的出射角度和效率测量结果。

04——应用与展望

这里，我们提出使用级联液晶平面光学器件以实现光学角度放大功能。通过液晶平面光子学，我们制备了轻便、低成本、高效、高质量的微型显微镜模组。这种微型显微镜模组非常有望被用于高端非机械式光束转向器中以实现高效、大角度、高精度的光束角度控制。我们在此工作中也印证了使用级联液晶平面光学器件以实现新型光学功能的可行性，为液晶平面光子学打开一扇新的大门。

论文信息

He, Z., Yin, K. & Wu, ST. Miniature planar telescopes for efficient, wide-angle, high-precision beam steering. Light Sci Appl 10,134 (2021). https://doi.org/10.1038/s41377-021-00576-9

论文地址

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00576-9

编辑| 赵阳

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