非機械式波束轉向器在無人駕駛汽車的激光雷達、近眼顯示的眼動追蹤、顯微鏡、光鑷以及高精度三維打印技術中有著廣泛的應用。在這些應用中，輕巧、緊湊、高效率、高精度和（或）大角度的波束轉向器是長期以來夢寐以求的。但是目前最成熟的基于光相位陣列的激光波束轉向技術只能在很小角度范圍內提供準連續的、高效的波束轉向。因此，設計更先進的擁有上述特征的波束轉向器一直是該方向研究的熱點。
近年來，基于液晶的平面光子學得到了廣泛的研究。表面液晶取向層的任意調控給平面液晶器件提供了極大的二維相位操控自由度。另外，它還具備高效率、輕薄、低成本、容易制備、柔性、對環境刺激響應等優點。由于這些優點，許多高質量甚至是商用的液晶平面器件在近年得以實現。然而，以往的研究多關注在如何使用單層液晶器件實現不同的光學功能。通過級聯平面光子器件，更多獨特的光學功能可以被實現。
近日，美國中佛羅里達大學吳詩聰教授團隊提出使用級聯平面光子器件實現光學角度放大功能，然后將這種功能應用于現有的成熟的波束轉向器中來實現高效率、大角度同時不失輕便和緊湊性。該成果以 Miniature planar telescopes for efficient, wide-angle, high-precision beam steering 為題發表在 Light: Science & Applications。
波束轉向器
波束轉向器在早年被廣泛地應用在空間探測中。傳統的波束轉向器是基于機械式多軸可調的鏡子（Gimbal mirror）。這種機械式的波束轉向器可以實現大角度連續的波束角度調控，但是其大的慣性、高能耗和短使用周期使得研究人員們關注于非機械式轉向器。目前有許多種非機械式波束轉向器，例如光相位陣列、基于光波導的轉向器、可調超表面、以及級聯高效率光柵等等。其中，基于液晶的光相位陣列是目前市面上最成熟的技術。它能在一個小角度范圍內提供準連續的、高效的角度調控。同時，它是十分輕便的、緊湊的、低功耗的。然而這種技術所能實現的角度調控范圍十分有限。例如，在905納米波段（車載激光雷達常用波段），它的最大可調范圍僅有正負5°左右。通過在其后添加一個微型望遠鏡模組可能使其角度范圍大大增加。但是傳統光學設計的望遠鏡模組難以同時實現輕薄、緊湊、低成本、高質量。
液晶平面光子學
基于液晶的平面光子學近年來得到了廣泛的研究。相較于需要復雜光刻制成的介電超表面，平面液晶光學器件得益于液晶自組裝的性質從而可以使制成過程大大簡化。在這些液晶器件中，液晶的取向可以便捷地通過一層很薄的表面光取向層（10納米左右厚度）來調控。這樣，人們很容易實現在空間中任意排布折射率的各向異性，從而實現光的幾何相位調控。這些平面液晶器件的厚度通常在微米級別。在過去，研究人員們報道了許許多多高質量的透鏡、光柵、渦旋光處理器等等。不光是透射型器件，基于膽甾型液晶的反射型器件最近也得到充分研究。與此同時，對這些器件的光學性質進行主動或者被動的調控也是研究熱點之一。例如，基于多層旋轉結構的聚合液晶被用來調控工作波長和角度響應；利用液晶對刺激響應的性質可以制成光、電、熱、機械響應器件等等。然而，目前的探究多注重于單一液晶器件。從單一液晶器件過渡到級聯液晶器件，我們預想更多的光學功能可以被實現，同時保持這些液晶器件的優點。
工作亮點
這里我們提出使用級聯液晶平面器件來實現緊湊高效的微型望遠鏡系統。該系統旨在實現光學角度放大的功能，并且該功能與入射光束的空間位置無關。這種角度放大功能難以用單層光學器件實現。如圖1所示，我們使用兩層液晶平面器件來實現這個微型望遠鏡系統。每一層平面液晶器件被賦予不同的相位信息，并在空間上保持一個固定的距離。通過光線追蹤優化，我們可以確定它們的相位以及這個空間距離以實現接近衍射極限的光學角度放大性能。在實驗中，我們根據所需的相位信息制備了不同的毫米級液晶平面光學器件。制備這些光學器件無需任何復雜的光刻步驟，全程只需對溶液進行分步處理。制備好不同的液晶平面光學器件后，我們組裝了兩種微型顯微鏡模組。設計中，模組1和2的放大倍率分別是1.67和2.75. 通過圖2a的測量裝置，我們發現測量的放大倍率和設計實現了很好的吻合。并且，模組1在設計的入射角范圍內實現了>89.8%的效率，模組2實現了>84.6%的效率。通過更精確的器件制備，這些數字有望被進一步提高。根據測量結果，這種微型望遠鏡模組可以高效地擴大當前非機械光束轉向器十分有限的調控范圍。在我們的工作中，較短波長的激光（488納米）被用來檢測這些器件。通過將實驗結果投射到車用激光雷達光束轉向器的工作波長（例如905 納米），可以預期最大輸出角度范圍為±27°左右。與入射場范圍±5°的高效光相位陣列相比，可獲得5.4倍的放大倍率。對于更長的工作波長（例如1550 納米）， 最大輸出角度可以擴大為±37°左右，對應的放大倍也增至7.4倍。同時，我們還對輸出光束的形貌進行了表征，以確保望遠鏡模塊的高質量以及與高端光束轉向器的兼容性。這里，我們提出使用級聯液晶平面光學器件以實現光學角度放大功能。通過液晶平面光子學，我們制備了輕便、低成本、高效、高質量的微型顯微鏡模組。這種微型顯微鏡模組非常有望被用于高端非機械式光束轉向器中以實現高效、大角度、高精度的光束角度控制。我們在此工作中也印證了使用級聯液晶平面光學器件以實現新型光學功能的可行性，為液晶平面光子學打開一扇新的大門。
論文信息
He, Z., Yin, K. & Wu, ST. Miniature planar telescopes for efficient, wide-angle, high-precision beam steering. Light Sci Appl 10, 134 (2021).
本文作者為美國中佛羅里達大學博士生何子謙、尹坤，通訊作者為吳詩聰教授。
論文地址
https://doi.org/10.1038/s41377-021-00576-9