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MIT开发出用于高速光束控制的可编程光学设备

盖世汽车 刘丽婷 2022-11-29 17:23:32

盖世汽车讯 据外媒报道,历经四年,由麻省理工学院(MIT)研究团队领导的国际研究小组开发出可编程的无线设备,可以控制光,例如通过将光束聚焦在特定方向或操纵光的强度,并且比商业设备快几个数量级。研究人员还开创了一种制造工艺,确保其无线设备在大规模生产时质量保持近乎完美,因此可更好地运行于现实环境中。

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图片来源:MIT

该设备被称为空间光调制器(spatial light modulator,SLM),可用于为自动驾驶汽车制造超高速激光雷达传感器,该传感器的场景成像速度比现有机械系统快约一百万倍。此外,该空间光调制器还可以加速大脑扫描仪,使用光“看”穿组织。通过更快地对组织成像,扫描仪可以生成更高分辨率的图像,且不受活体组织动态波动噪声的影响,例如流动的血液。

论文主要作者、MIT电气工程和计算机科学博士Christopher Panuski表示:“我们专注于控制光,而此次研究是朝着完全光学控制的最终目标迈出的重要一步,在空间和时间上用于无数光应用。”

操纵光

SLM是一种通过控制光的发射特性来操纵光的装置。与高射投影仪或计算机屏幕类似,SLM可变换一束通过的光束,将其聚焦在一个方向或将其折射到多个位置以形成图像。

在SLM内部,一个二维光学调制器阵列控制着光线。但是光的波长只有几百纳米,因此要在高速下精确控制光,该设备需要极其密集的纳米级控制器阵列。研究人员使用一系列光子晶体微腔来实现这一目标。这些光子晶体谐振器允许在波长范围内可控地存储、操纵和发射光。

当光进入空腔时会停留大约一纳秒,但在泄漏到空间之前会反弹大约100,000次以上。虽然纳秒只有十亿分之一秒,但这个时间足以让设备精确地操纵光。通过改变空腔的反射率,研究人员可以控制光的逸出方式,同时控制阵列调制整个光场,因此可以快速准确地控制光束。

Panuski表示:“我们设备的新颖之处在于其工程辐射模式。我们希望来自每个空腔的反射光成为聚焦光束,因为可以提高最终设备的光束控制性能。我们的工艺本质上是一种理想的光学天线。”

他还解释说,为了实现这一目标,研究人员开发出一种新算法来设计光子晶体器件,而该器件会在光从每个空腔逸出时将其形成窄光束。

用光来控制光

该研究团队使用微型LED显示器来控制SLM。LED像素与硅芯片上的光子晶体对齐,因此打开一个LED可以调节单个微腔。当激光击中激活的微腔时,空腔会根据来自LED的光对激光做出不同的响应。

思克莱德大学(University of Strathclyde)光子学研究所教授Michael Strain表示:“这种高速LED-on-CMOS显示器作为微型光泵浦源的应用是光子技术和开放式合作的集成,且展现出多种优势。我们很高兴与麻省理工学院的团队合作开展该项目。”

使用LED来控制设备意味着阵列不仅是可编程和可重新配置的,而且是完全无线的。Panuski补充道:“这是一个全光控制过程。没有金属线,我们可以将设备放置得更近,而不用担心吸收损失。”

研究人员还与空军研究实验室(Air Force Research Laboratory)合作开发出一种高精度的大规模制造工艺,可在12英寸的硅晶片上冲压出数十亿个空腔。然后结合后处理步骤以确保微腔都在相同的波长下工作。

研究人员还开发出一种基于机器视觉的全息修整新技术,即将激光照射到微腔上。 然后激光将硅加热到1,000摄氏度以上,形成二氧化硅或玻璃。研究人员创建了一个系统,可以同时用同一束激光轰击所有空腔,并添加一层玻璃,以完美对齐共振,即空腔振动的自然频率。

Panuski表示:“在修改了制造工艺的一些特性之后,我们证明了我们能够在具有超好均匀性的铸造工艺中制造出世界一流的设备。”

该设备在空间和时间上展示了近乎完美的光场控制,其联合“时空带宽”比现有SLM大10倍。能够精确控制巨大带宽的光可以使能够极快地传输大量信息的设备成为可能,例如高性能通信系统。

目前研究人员已经完善了该制造工艺,并不断制造更大的量子控制或超快传感和成像设备。

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