En ny metod som använder ljus för att förflytta speglar kan vara inledningen till ny generation laserteknik för ett brett spektrum av tillämpningar, inklusive fjärranalys, navigering av självkörande fordon och 3D biomedicinsk avbildning, enligt forskare vid UC Berkeley.

Den självsvepande lasertekniken kopplar samman ett optiskt fält med den mekaniska rörelsen hos en HCG (high-contrast grating)-spegel. HCG-spegeln bärs upp av mekaniska fjädrar anslutna till skikt som består av halvledarmaterial. Det röda skiktet representerar laserns förstärkning (för ljusförstärkning), och de blå skikten bildar systemets andra spegel. Kraften hos ljuset får spegeln i toppen att vibrera med hög hastighet. Vibrationerna gör att lasern automatiskt ändrar färg när den skannar.
Skiss: Weijian Yang

Ett team ingenjörer vid UC Berkeley lett av Connie Chang-Hasnain, en professor i elektroteknik och datorvetenskap har använt ett nytt koncept för att automatisera det sätt en ljuskälla ändrar sin våglängd när den sveper över det omgivande landskapet. Resultaten har publicerats i tidskriften Scientific Reports idag den 3 september.

Resultaten kan få konsekvenser för bildteknik som använder sig av LIDAR eller OCT, optisk koherens tomografi.

– Vårt papper beskriver en snabb, självsvepande laser som dramatiskt kan minska energiförbrukningen, storleken, vikten och kostnaden för LIDAR och OCT-enheter på marknaden idag. Rönen kan komma att krympa komponenter som nu tar upp storleken hos en skokartong ner till något kompakt och lätt nog för smartphones eller små UAV:er, säger Chang-Hasnain, ordförande för Nanoscale Science and Engineering Graduate Group vid UC Berkeley.

LIDAR-system låter en ljusstråle belysa ett mål och mäta den tid det tar för ljuset att studsa tillbaka. Eftersom ljusets hastighet är konstant kan detta system sedan användas för att beräkna avstånd. Självkörande fordon och fjärranalysteknik använder LIDAR för navigering och för att skapa kartor i 3D. OCT-system tillämpar samma princip för mätning i millimeterskalan vid medicinsk avbildning. Tekniken används för att skapa tvärsnittsbilder av näthinnan och för att hjälpa till med tidig upptäckt av retinala sjukdomar, inklusive åldersrelaterad makuladegeneration.

I båda applikationerna måste lasern kontinuerligt ändra sin frekvens då den rör sig så att den kan beräkna skillnaden mellan det inkommande, reflekterade ljuset och det utgående ljuset. Om du vill ändra frekvens måste åtminstone en av de två speglarna precist förflyttas i laserkaviteten.

– De mekanismer som behövs för att styra speglarna är en del av det som gör nuvarande LIDAR och OCT-system skrymmande, energikrävande, långsamma och komplexa, säger studiens huvudförfattare Weijian Yang, som gjorde arbetet som UC Berkeley Ph.D.-student i elektroteknik och datavetenskap. ”Ju snabbare systemet måste agera – såsom i självkörande fordon som måste undvika kollisioner – desto mer energi behövs det”.

Det nya i konstruktionen är integreringen av en halvledarlaser med spegeln. Varje laser kan vara så liten som några hundra kvadratmikrometer och kan enligt forskarna lätt drivas av ett AA-batteri.

Sammankopplingen av lasern med en ultratunn HCG-spegel medför att forskarna kan utnyttja den fysiska kraften hos ljuset för att flytta spegeln. Med en genomsnittlig kraft på bara några nanonewton ger ljuset tillräckligt med energi för att få spegeln att vibrera.

I sina experiment fann forskarna att denna optomekaniska samverkan mellan lasern och spegeln kan svepa över ett våglängdsområde på mer än 23 nanometer i det infraröda spektrumet utan behov av extern styrning. Enligt forskarna skulle det våglängdsområdet vara tillräckligt för ett system med en upplösning på 50 mikrometers ytprofilering även om objektet är tiotals meter bort. Vidare kan svepcykeln vara så kort som några få hundra nanosekunder vilket möjliggör flera miljoner svep per sekund.

Nästa steg i forskningen är enligt UC Berkeley att införliva denna nya laserkonstruktionen i nuvarande LIDAR eller OCT-system och att visa applikationen i 3D videoavbildning.

Filed under: Utländsk Teknik