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研究開発 応用 ビームステアリング (スキャニング) BNS Boulder Nonlinear Systems

             Boulder Nonlinear Systems
   ボルダー ノンリニア システムズ

液晶デバイス ビームステアリング (ビーム スキャニング)詳細


ボルダーノンリニアシステムズ(BNS)社は、主に液晶デバイスの開発を通して、10年以上にわたり、回折非機械的ビームステアリング装置を設計・製造しています。用途に応じて、これらのデバイスは、典型的には3つのカテゴリーに分けられます:
 

微小角度ビームステアリング (スキャニング)

微小角度非機械的ビームステアリングは、当社のオンシリコン反射型液晶(LCoS)の光学フェーズドアレイ(OPA)装置を使用して行うことができます。これらの反射型装置は、数万の細長い電極リニアアレイ(1次元)のユニークな背面を使用しています。各電極の液晶の屈折率を変えることで、回折位相格子を形作ることができます。結果としての装置は、非機械的レーザ・ビームステアリングの機能を持つ、プログラム可能なプリズムと見なすことができます

 

広角ビームステアリング (スキャニング)

広角非機械的ビームステアリングは、当社の液晶偏光グレーティング(LCPG)を使って実現することができます。これらの透過型のデバイスは、いくつかの魅力的な特性を有する連続周期の複屈折率特性を持っています。実験的に実現されたこれらの特性には、単一オーダー、高偏光感度および超低散乱で98%超の回折効率があります。光は、入射光の円偏光の左右の回転方向を変更することにより、複数ある一次回析オーダーのいずれかに向けることができます。さらに、これらの透過型装置は、電気的にステアリング角を選択可能にするために、これらの装置の間に左右の偏光選択スイッチ(例えば、液晶可変遅延板)と一緒に積み重ねることができます。

 

多重スポット・ビーム・ステアリング (スキャニング)

BNS社の空間光変調器(SLM)技術は、単一入力のコリメート光レーザビームをいくつかの出力ビームに分割するコンピュータ生成の位相ホログラムを表示することができます。個々の出力ビームが、それぞれ任意の三次元構成で配列された特定の特性を個々に持つことができるように、このホログラムを書くことができます。SLMによってリアル・タイムで更新されるホログラムを変更することで、出力ビームを横方向に移動させ、任意の深さでフォーカスすることができます。



マルチビームステアリングシステムのイメージ。液晶偏光グレーティング(左)は、波長1550nm、開口径5cm時で動眼視野(FOR)80°×80°、スイッチング時間<10m秒のビーム制御とイメージを実証する実験に使用された。空間光変調器は、動眼視野1°の角度微調整を0.01マイクロラジアンの解像度でビームの微調整を実現した。


 

微小角度ビームステアリング (スキャニング)


微小角度非機械的ビームステアリングは、当社のオンシリコン反射型液晶(LCoS)の光学フェーズドアレイ(OPA)装置を使用して行うことができます。

これらの反射型装置は、数万の細長い電極リニアアレイ(1次元)のユニークな背面を使用しています。各電極の液晶の屈折率を変えることで、回折位相格子を形作ることができます。結果としての装置は、非機械的レーザ・ビームステアリングの機能を持つ、プログラム可能なプリズムと見なすことができます。




これがどのように働くか理解するために、屈折ビームステアリングと呼ばれるプリズムが光をどのようにステアリングするのかについて考えると理解し易くなります。図に見られるように、周囲の材質よりも高い屈折率で(例として大気中のガラス・プリズム)、入射ビームはプリズムのウェッジ角に比例してステアリングされます。




しかしながら、一般に、プリズムと同じ方法で光を液晶によって屈折させてステアリングすることは実現可能ではありません。通常のウェッジ型プリズムによって提供される位相遅延波を何千個も再生するためには、似たような厚みの液晶セルが必要になり、それは極端に困難です。これを回避するために、液晶を利用したビームステアリングは、典型的には、2πリセットの位相ラッピングを使用することにより、回折が達成されます。



回折光学フェーズドアレイは、上図に示されている理想化されたバージョンの、そのうちの格子量子化された複数レベルのフェーズグレーティングと考えることができます。図に示した各ランプ(傾斜路)は、0から2πになるまで、それぞれ徐々に位相遅延が大きくなる各LCoSピクセルを形成することになります。アレイ中で使用される位相レベルが多くなるほど、より近いランプが理想的なランプ(階段状の代わりに)になり、回折効率もより高くなります。



例えば、二相グレーティングは、2つの一次回折ビームのそれぞれで40.5%の理想的な回折効率を提供します。三相レベル/ピクセルを使った量子化位相グレーティングについては、理想的な一次回折効率は68.4%です。四相レベル/ピクセルになると、それは81%まで増加します。四相レベル以上では、位相レベルの数が増えると回折効率の改善は少なくなります。五相レベル/ピクセルでは、一次回折光のパーセンテージは理想的な87.5%です。八相レベル/ピクセルでは、理想的な一次回折効率は94.9%です。


現在の装置は、数度の角度ならば正確にステアリングできます。スキャニングがないので、装置は、ランダムアクセスビームステアリングを提供するために、新しい位置に高速で再構成することができます。テストでは、装置は耐放射線と高いピークおよび平均レーザパワーレベルの両方に耐えることが証明されています。


フェーズドアレイのフェーズドアレイ(PAPA)構造は、個別の光源によって照射された複数のOPAを、単一の高出力コヒーレントビームに統合します。BNS社は、高出力ビームの統合、およびレーザ通信アーキテクチャーをサポートするPAPA技術を研究しています。
 


 

広角ビームステアリング (スキャニング)


広角非機械的ビームステアリングは、当社の液晶偏光グレーティング(LCPG)を使って実現することができます。

これらの透過型のデバイスは、いくつかの魅力的な特性を有する連続周期の複屈折率特性を持っています。実験的に実現されたこれらの特性には、単一オーダー、高偏光感度および超低散乱で98%超の回折効率があります。光は、入射光の円偏光の左右の回転方向を変更することにより、複数ある一次回析オーダーのいずれかに向けることができます。さらに、これらの透過型装置は、電気的にステアリング角を選択可能にするために、これらの装置の間に左右の偏光選択スイッチ(例えば、液晶可変遅延板)と一緒に積み重ねることができます。

これらの装置は、連続可変大広角ビームステアリング・システムを作るために、当社の微小角度ビームステアリングLCoS装置に結合することができます。BNS社は、XおよびY方向の両方で100度以上の動眼視野でシステムを構築しました。以下の図は、構成とこのようなシステムの1つの応用を示しています。








 

マルチスポット ビームステアリング (スキャニング)


BNS社の空間光変調器(SLM)技術で、単一入力のコリメート光レーザビームをいくつかの出力ビームに分割するコンピュータ生成の位相ホログラムを表示することができます。

個々の出力ビームが、それぞれ任意の三次元構成で配列された特定の特性を個々に持つことができるように、このホログラムを書くことができます。SLMによってリアルタイムで更新されるホログラムを変更することで、出力ビームを横方向に移動させ、任意の深さでフォーカスすることができます。この技術は非機械的であるため、ホログラフィックビームステアリングは、各出力ビームのアドレス指定に完全に独立したランダムアクセスが可能となります。


このマルチスポット・ビームステアリングの一例を以下に示します。左の写真は、個々に1681のフォーカススポットを生成した位相パターンです。BNS社のSLMは、位相中にこのホログラムを表示し、出力光はホログラムの右2つの写真に示されています。中央のイメージは、1681スポットと同じ平面の0次オーダースポットの出力パターンです。右側のイメージには、スポット面からシフトして離れた0次オーダーがあります。
 




SLMが、焦点の3Dボリュームが生成されるときに同時に収差を補正することができるため、この技術を用いて、それぞれの集光スポットは回折限界レーザースポットのように小さくすることができます。BNSデバイスは、光刺激やホログラフィック光トラッピング(HOT)のようなアプリケーション向けに、単一ビームから数百の回折限界スポットを生成するために、典型的に使用されています。

BNSは現在、1ミリ秒を超える閉ループ変調速度を達成するために、新しいSLMバックプレーン、高速アドレス方式、および低遅延の16ビットのPCIeドライバーの開発を通じて、さらにこの技術を飛躍させるために取り組んでいます。
































 

波長405nmから1653nm。シングルモード ファイバーから良質のビームクオリティーの高出力レーザーを得ることができます。高安定、狭帯域、出力可変、2 MHzまでの変調が外部端子からできます。

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