Forskere beskriver en ny strålescanningsenhed, der bruger fotoniske krystaller

Scanning af lasere – fra stregkodescannere i supermarkedet til kameraer på nyere smartphones – er en uundværlig del af vores daglige liv, afhængig af lasere og detektorer for præcis præcision.

Afstands- og objektgenkendelse ved hjælp af LiDAR - et portmanteau af lys og radar - bliver mere og mere almindeligt:​​reflekterede laserstråler optager det omgivende miljø, leverer afgørende data til autonome biler, landbrugsmaskiner, og fabriksrobotter.

Nuværende teknologi afviser laserstrålerne fra bevægelige spejle, en mekanisk metode, der resulterer i langsommere scanningshastigheder og unøjagtigheder, for ikke at nævne den store fysiske størrelse og kompleksitet af enheder, der rummer en laser og spejle.

Udgiver i Naturkommunikation , et forskerhold fra Kyoto University's Graduate School of Engineering beskriver en ny strålescanningsenhed, der bruger 'fotoniske krystaller', eliminerer behovet for bevægelige dele.

I stedet for at arrangere krystallernes gitterpunkter i et ordnet array, forskerne fandt ud af, at variation af gitterpunkternes former og positioner fik laserstrålen til at blive udsendt i unikke retninger.

"Hvad resulterer er et gitter af fotoniske krystaller, der ligner en plade af schweizerost, hvor hver krystal er beregnet til at udsende strålen i en bestemt retning, " forklarer Susumu Noda, der ledede holdet.

"Ved at eliminere mekaniske spejle, vi har lavet en hurtigere og mere pålidelig strålescanningsenhed."

Fotoniske krystallasere er en type 'halvlederlaser', hvis gitterpunkter kan betragtes som antenner i nanoskala, som kan arrangeres til at få en laserstråle til at blive udsendt vinkelret fra overfladen. Men i begyndelsen ville strålen kun gå i en enkelt retning på et todimensionalt plan; holdet havde brug for mere område, der skulle dækkes.

At arrangere antennepositionerne cyklisk resulterede i en vellykket retningsændring, men et fald i effekt og deformeret form gjorde denne løsning uholdbar.

"Modulering af antennepositionerne fik lys udsendt fra tilstødende antenner til at ophæve hinanden, " fortsætter Noda, "får os til at prøve at ændre antennestørrelser."

"Til sidst, vi opdagede, at justering af både position og størrelse resulterede i en tilsyneladende tilfældig fotonisk krystal, producerer en nøjagtig stråle uden effekttab. Vi kaldte dette en 'dobbelt moduleret fotonisk krystal'."

Ved at organisere disse krystaller – hver designet til at udsende en stråle i en unik retning – i en matrix, holdet var i stand til at bygge en kompakt, omskiftelig, todimensionel strålescanner uden behov for mekaniske dele.

Forskerne har med succes konstrueret en scanner, der kan generere stråler i hundrede forskellige retninger:en opløsning på 10×10. Dette er også blevet kombineret med en divergerende laserstråle, resulterer i en ny type LiDAR med forbedret rækkevidde til at detektere objekter.

Holdet vurderer, at med yderligere justeringer, opløsningen kunne øges med en faktor på 900:op til et opløsningsområde på 300×300.

"I begyndelsen var der stor interesse for, om en struktur, der tilsyneladende er så tilfældig, faktisk kunne fungere, " afslutter Noda. "Vi tror nu på, at vi med tiden vil være i stand til at udvikle et LiDAR-system, der er lille nok til at holde på en fingerspids."