fbpx
0.8 C
София

Ново устройство може да контролира светлината с безпрецедентни скорости

Най-четени

Изследователите са разработили програмируемо оптично устройство за високоскоростно управление на лъча.

В сцена от „Междузвездни войни: Епизод IV — Нова надежда“, R2D2 прожектира триизмерна холограма на принцеса Лея, която отчаяно моли за помощ. Тази сцена, заснета преди повече от 45 години, включва малко филмова магия – дори днес не разполагаме с технологията за създаване на толкова реалистични и динамични холограми.

Генерирането на свободностояща 3D холограма би изисквало изключително прецизен и бърз контрол на светлината отвъд възможностите на съществуващите технологии, които се основават на течни кристали или микроогледала.

Международна група от изследователи, ръководена от екип от Масачузетския технологичен институт, прекара повече от четири години в справяне с този проблем с формирането на високоскоростен оптичен лъч. Сега те демонстрираха програмируемо безжично устройство, което може да контролира светлината, като например чрез фокусиране на лъч в определена посока или манипулиране на интензитета на светлината, и го прави с порядъци по-бързо от познати досега устройства.

Те също така въведоха производствен процес, който гарантира, че качеството остава почти перфектно, когато се произвежда в мащаб. Това би ги направило тяхното устройство по-осъществимо за прилагане в реални настройки.

Известно като модулатор на пространствена светлина, устройството може да се използва за създаване на супер бързи лидарни сензори (откриване и обхват на светлина) за самоуправляващи се автомобили, които могат да изобразяват сцена около милион пъти по-бързо от съществуващите механични системи. Може също така да ускори мозъчните скенери, които използват светлина, за да „виждат“ през тъканта. Като могат да изобразяват тъкани по-бързо, скенерите могат да генерират изображения с по-висока разделителна способност, които не се влияят от шума от динамични колебания в живата тъкан, като течаща кръв.

„Ние се фокусираме върху контролирането на светлината, което е повтаряща се изследователска тема от древността. Нашата разработка е още една важна стъпка към крайната цел за пълен оптичен контрол — както в пространството, така и във времето — за безброй приложения, които я използват

казва водещият автор Кристофър Пануски PhD ’22, който наскоро е завършил докторска степен по електротехника и компютърни науки.

Документът е съвместна работа между изследователи от MIT ; Flexcompute Inc.; университета в Стратклайд; Политехническия институт на Държавния университет на Ню Йорк; Applied Nanotools Inc.; Рочестърския технологичен институт и изследователската лаборатория на ВВС на САЩ. Старшият автор е Дирк Енглунд, доцент по електротехника и компютърни науки в MIT и изследовател в Изследователската лаборатория по електроника (RLE) и Microsystems Technology Laboratories (MTL).

Манипулиране на светлината

Пространственият светлинен модулатор (SLM) е устройство, което манипулира светлината чрез контролиране на нейните емисионни свойства. Подобно на компютърен екран, SLM трансформира преминаващ лъч светлина, като го фокусира в една посока или го пречупва на много места за формиране на изображение.

Вътре в SLM двуизмерен масив от оптични модулатори контролира светлината. Но дължините на светлинните вълни са само няколкостотин нанометра, така че за прецизно управление на светлината при високи скорости устройството се нуждае от изключително плътен набор от наноразмерни контролери. Изследователите са използвали набор от фотонни кристални микрокухини, за да постигнат тази цел. Тези фотонни кристални резонатори позволяват светлината да бъде контролирано съхранявана, манипулирана и излъчвана в скалата на дължината на вълната.

Когато светлината навлезе в кухина, тя се задържа за около наносекунда, подскачайки наоколо повече от 100 000 пъти, преди да изтече в космоса. Въпреки че една наносекунда е само една милиардна от секундата, това е достатъчно време за устройството да манипулира прецизно светлината. Чрез промяна на отразяващата способност на кухина, изследователите могат да контролират как светлината излиза. Едновременното управление на масива модулира цяло светлинно поле, така че изследователите могат бързо и прецизно да насочват лъч.

„Един нов аспект на нашето устройство е неговият модел на излъчване. Искаме отразената светлина от всяка кухина да бъде фокусиран лъч, защото това подобрява ефективността му на управление на крайното устройство. Нашият процес по същество създава идеална оптична антена“,

казва Пануски.

За да постигнат тази цел, изследователите разработиха нов алгоритъм за проектиране на устройства с фотонни кристали, които образуват светлина в тесен лъч, докато излиза от всяка кухина, обяснява той.

Използване на светлина за управление

Екипът използва микро-LED дисплей за управление на SLM. Светодиодните пиксели се подреждат с фотонните кристали на силициевия чип, така че включването на един светодиод настройва една микрокухина. Когато лазер удари тази активирана микрокухина, кухината реагира по различен начин на лазера въз основа на светлината от светодиода.

„Това приложение на високоскоростни LED-върху-CMOS дисплеи като микромащабни източници на оптична помпа е перфектен пример за предимствата на интегрираните фотонни технологии и отвореното сътрудничество. Бяхме развълнувани да работим с екипа на Масачузетския технологичен институт по този амбициозен проект“

казва Майкъл Щрейн, професор в Института по фотоника на университета в Стратклайд. 

Използването на светодиоди за управление на устройството означава, че масивът е не само програмируем и преконфигурируем, но и напълно безжичен, казва Пануски.

„Това е изцяло оптичен контролен процес. Без метални проводници можем да поставим устройствата по-близо едно до друго, без да се тревожим за загуби от абсорбция“

добавя той.

Измислянето как да се произведе такова сложно устройство по мащабируем начин е процес, продължил години. Изследователите искаха да използват същите техники, с които създават интегрални схеми за компютри, така че устройството да може да се произвежда масово. Но микроскопични отклонения възникват във всеки процес на производство и с кухини с микронни размери на чипа, тези малки отклонения могат да доведат до огромни колебания в производителността.

Изследователите си партнираха с Изследователската лаборатория на военновъздушните сили, за да разработят изключително прецизен процес за масово производство, който щампова милиарди кухини върху 12-инчова силиконова пластина. След това включиха стъпка на последваща обработка, за да гарантират, че всички микрокухини работят на една и съща дължина на вълната.

„Получаването на архитектура на устройство, което действително да може да се произвежда, беше едно от огромните предизвикателства в самото начало. Мисля, че стана възможно само защото Крис работи в тясно сътрудничество в продължение на години с Майк Фанто и прекрасен екип от инженери и учени в AFRL, AIM Photonics и с други наши сътрудници.

казва Енглунд.

За този процес изследователите осветяват с лазер микрокухините.

Лазерът загрява силиция до повече от 1000 градуса по Целзий, създавайки силициев диоксид или стъкло. Те създадоха система, която взривява всички кухини с един и същ лазер наведнъж, добавяйки слой стъкло, който идеално подравнява резонансите – тоест естествените честоти, на които кухините вибрират.

„След като модифицирахме някои свойства на процеса на производство, ние показахме, че сме в състояние да направим устройства от световна класа в леярски процес, който има много добра еднородност. Това е един от големите аспекти на тази работа – да измислим как да ги направим производителни“

казва Пануски.

Устройството демонстрира почти перфектен контрол – както в пространството, така и във времето – на оптично поле със съвместна „пространствено-времева честотна лента“ 10 пъти по-голяма от тази на съществуващите SLM. Възможността за прецизно контролиране на огромна честотна лента от светлина може да даде възможност на устройства, които могат да пренасят огромно количество информация изключително бързо, като високопроизводителни комуникационни системи.

Сега, след като са усъвършенствали производствения процес, изследователите работят за създаването на по-големи устройства за квантов контрол или ултрабързо отчитане и изображения.


Коментирайте статията в нашите Форуми. За да научите първи най-важното, харесайте страницата ни във Facebook, и ни последвайте в Telegram и Viber или изтеглете приложението на Kaldata.com за Android, iOS и Huawei!

Абонирай се
Извести ме за
guest

1 Коментар
стари
нови оценка
Отзиви
Всички коментари

Нови ревюта

Подобни новини