Tesis:
Tunable Diffractive Liquid Crystal Photonic Devices
- Autor: GARCÍA DE BLAS, Mario
- Título: Tunable Diffractive Liquid Crystal Photonic Devices
- Fecha: 2022
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: FACULTAD DE INFORMATICA
- Departamentos: AEROTECNIA
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/72064/
- Director/a 1º: GEDAY, Morten Andreas
- Director/a 2º: QUINTANA ARREGUI, Xabier
- Resumen: El presente trabajo de fin de Tesis está centrado en el desarrollo de dispositivos fotónicos ajustables basados en cristales líquidos. A lo largo del periodo de realización de esta Tesis doctoral se han diseñado, fabricado y testado una serie de nuevos dispositivos. En relación con los procesos de fabricación presentados, se han implementado nuevas técnicas de grabado de electrodos para células de cristal líquido haciendo uso de la ablación por láser. Los protocolos de fabricación relacionados con esta técnica abrasiva incluyen la caracterización del sistema y un ajuste de todos los componentes ópticos que lo componen. Las células de cristal líquido son fabricadas en la cámara limpia disponible en las instalaciones del Centro CEMDATIC I+D de la UPM. Para realizar este tipo de dispositivos electroópticos se requiere de una serie de procesos de fabricación. Estos procesos se encadenan a partir de un protocolo previamente determinado, con el objetivo de obtener los mejores resultados y una alta repetibilidad en los dispositivos fabricados. Además, basado en estos protocolos de fabricación, se han diseñado máscaras fotolitográficas utilizadas para eliminar ciertas zonas metalizadas de los substratos de cristal que conforman las células de cristal líquido. Los cristales líquidos son un material esencial a la hora de diseñar dispositivos fotónicos ajustables. Este material tiene unas características que lo hacen único ya que permite el control de la fase de un haz de luz láser incidente con la aplicación de un campo eléctrico sobre sus moléculas. Esta Tesis está centrada en dispositivos ajustables de cristal líquido capaces de modular la fase de un haz de luz a partir de la generación de unas estructuras denominadas gratings de fase. Estos dispositivos han de ser caracterizados con el objetivo de obtener la relación existente entre el campo eléctrico aplicado y el desfase inducido por el cristal líquido en el frente de onda incidente. Para obtener estos datos, es necesario el diseño y la puesta a punto de una serie de instrumentos ópticos y programas software que permitan medir dicha relación. Además, en este proyecto se ha presentado una placa electrónica capaz de controlar de forma individual cada uno de los electrodos o pixeles que componen los dispositivos fotónicos presentados. Esta placa ha sido diseñada y testada en las instalaciones del CEMDATIC I+D. Estos dispositivos fotónicos tienen cabida en un gran número de campos como en la realidad aumentada, en la implementación de pinzas ópticas, en la tecnología de detección de objetos a distancia o en las comunicaciones ópticas espaciales. En este trabajo se presenta un dispositivo capaz de desviar un haz de luz incidente en dos dimensiones (2D). Este dispositivo está compuesto por células unidimensionales (1D) de cristal líquido, fabricadas mediante una técnica de escritura directa por láser. Esta técnica permite generar electrodos de alta resolución sobre substratos de vidrio metalizados, con un espaciado entre electros de menos de 3 μm, dando lugar a estructuras con un alto factor de forma. En una primera aproximación a los dispositivos desviadores 2D, se ha creado un sistema que presenta un alto factor de forma. Este dispositivo está compuesto por dos células 1D, cada una de ellas con un array de 72 pixeles rectangulares de 15 μm, individualmente controlados por una placa electrónica externa. Algunas de las características de este primer dispositivo son mejoradas en una segunda aproximación. Este segundo dispositivo está compuesto por dos células 1D de cristal líquido idénticas, colocadas una tras otra, generando una zona activa de 1.1 × 1.1 mm2. Cada una de estas células cuenta con 144 pixeles, cada uno de ellos con una anchura de 15 μm, dando lugar a un dispositivo de 288 pixeles, lo que permite una alta resolución a la hora de desviar el haz de luz incidente. El rendimiento del dispositivo está documentado en este trabajo, obteniendo un ángulo máximo de desvío de ± 3.38°. Además, el diseño planteado en este dispositivo supone una mejora en los procesos de fabricación, ya que reducen su tiempo de producción. El segundo tipo de dispositivo fotónico presentado es una lente axicon difractora, con pixeles forma de espiral. Este dispositivo tiene la capacidad de generar vórtices ópticos (perfect vortex beams). Haciendo uso de la placa de control, cada uno de estos pixeles es controlado de forma independiente, obteniendo 24 niveles distintos, convirtiéndose así en una lente ajustable eléctricamente. Estos niveles corresponden con dos configuraciones de la lente: convergente y divergente. Tanto el diseño, la fabricación como el testeo del dispositivo es presentado en este trabajo fin de Tesis. Por lo tanto, durante este trabajo de fin de Tesis se han implementado una serie de procesos de fabricación con el objetivo de generar dispositivos fotónicos ajustables de cristal líquido. Más allá de la relevancia científica de este proyecto, se destaca que la tecnología desarrollada abre las puertas a nuevas y futuras líneas de investigación. ----------ABSTRACT---------- This PhD work is focused on liquid crystal based tunable phase devices. In the course of the PhD a number of new devices have been designed, manufactured and tested. In terms of manufacturing new electrode patterned liquid crystal cells have been prepared by using an ablation process. This manufacturing protocol includes the characterization of the laser system in charge of the ablation and a fine tuning of all its optical components. Liquid crystal cells are manufactured in the clean room of the CEMDATIC R&D Center at UPM. These electro-optical devices need to undergo different manufacturing processes. A detailed protocol is thoroughly followed to obtain the best results and repeatability in the process. Moreover, some of these protocols are used to manufacture build-in-house photolithographic masks that allows for removing specific areas of the metalized patterned glass substrate. Liquid crystals are essential to design reconfigurable photonic devices. These unique materials are capable of inducing a controllable phase delay of an incoming wavefront. This Thesis is centered on tunable diffractive liquid crystals devices, that modulate the phase of an incoming laser beam by generating phase grating structures. To characterize these devices, in order to obtain the relationship between the applied electric field and the phase retardation induced by the liquid crystal, a series of optical elements are used to implement a setup that accomplish this acquisition task. Furthermore, this work describes the electronic driver designed and tested by the CEMDATIC R&D Center. This electronic driver is required to generate and control independent voltages applied to the LC cells through electrodes. These tunable phase devices have multiple applications in fields like target seeking and tracking, optical tweezers, billboard displays and many others. In this work, a two dimensional beam deflector based on blaze gratings is presented. Phase-only one-dimensional (1D) blaze gratings have been prepared using maskless Direct Laser Writing (DLW) resulting in high-resolution structures in indium-tin oxide (ITO) coated glass substrates. With DLW, a high number of pixels can easily be drawn with an inter-pixel space of less than 3 μm, leading to devices with a high fill factor. In a first approximation, a tunable high fill factor beam steerer is presented. This device is made up of two 1D LC cells, each having an array of 72 rectangular individually controlled pixels and driven by a custom 12-bit Pulse-Width Modulation (PWM) electrical driver. Some of the features of this high-fill factor beam steerer are improved by designing another device. The device is composed by two identical 1D LC cells cascaded orthogonally back-to-back, with a resultant active area of 1.1× 1.1 mm2. The 1D cells have been prepared with 144 pixels each with a 7.5 μm pitch. The total 288 pixels allows for an arbitrarily high resolution. The systems performance is documented, and the efficiency of the system has been tested. A maximum steering angle of ± 3.38° was achieved. Furthermore, the new designs improve the manufacturing yield. A Tunable diffractive spiral axicon (DSA) that is capable of generating perfect vortex beams, with different topological charges, is presented in this Thesis document. Using an external electronic driver, each spiral shaped pixel of the liquid crystal cell is independently driven, leading to a tunable 24 levels axicon that can be positive or negative. In this work, the design and development of this flat tunable DSA is presented. The performance of the DSA is experimentally demonstrated and compared to the corresponding simulations. In summary, during this work, a large number of manufacturing processes are used to design liquid crystal tunable phase devices. Besides their relevance in scientific publications and technical achieves, most of the technology developed during this PhD Thesis work leaves numerous research lines to be explored in the future.