Лазер, который перестраивается сам

Самоперестраивающийся лазер сможет значительно уменьшить системы 3D-картографии 14 Сентябрь 2015, 13:17
Новый подход, который использует световой поток для перемещения зеркал, сможет использоваться в новом поколении лазерных технологий для широкого диапазона применений, включая дистанционное зондирование, навигацию автономных автомобилей и трехмерную биомедицинскую визуализацию.

Группа инженеров из Калифорнийского университета в Беркли, под руководством Конни Чен-Хаснейна (Connie Chang-Hasnain), профессора электротехники и вычислительной техники, использовала новую концепцию для автоматизации способа, которым источник света изменяет длину своей волны, когда он сканирует окружающий ландшафт.

Разработка сможет найти применение в технологии формирования изображений, использующей лидер, а также в оптической когерентный томографии (ОКТ).

«В нашей статье описывается быстрый самоперестраивающийся лазер, который может значительно снизить потребление питания, уменьшить габариты, вес и стоимость лидеров и систем ОКТ, имеющихся сегодня на рынке, — рассказывает Чен-Хаснейн, глава Nanoscale Science and Engineering Graduate Group (Калифорнийский университет в Беркли). — Разработка сможет сократить компоненты, которые в настоящее время занимают объем коробки для обуви, до более компактных и имеющих меньший вес, что позволит использовать их в смартфонах или небольших БПЛА».

Лидар работает путем наведения луча света на цель с последующим измерением количества времени до регистрации системой отражения. Поскольку скорость света постоянна, эта система может использоваться для вычисления расстояния. Машины, управляемые без участия человека, и технология дистанционного зондирования используют лидеры для навигации и создания трехмерных карт.

ОКТ использует тот же принцип измерений в миллиметровом масштабе для медицинской визуализации. Технология используется для создания поперечных изображений сетчатки глаза и помогает определить заболевания на ранних стадиях, включая возрастную макулодистрофия (группа заболеваний, при которых поражается сетчатка глаза и нарушается центральное зрение).

Когда луч лазера перемещается, он должен постоянно менять свою частоту так, чтобы система смогла вычислить разницу между входящим, отраженным и исходящим светом. Для изменения частоты как минимум одно из двух зеркал в лазерном резонаторе должно перемещаться с высокой точностью.

«Механизмы, требуемые для управления зеркалами – компоненты, которые делают имеющиеся системы лидеров и ОКТ объемными, энергозатратными, медленными и сложными, — рассказывает один из авторов исследования Вейцзян Ян (Weijian Yang). — Чем быстрее система должна работать – например, автономный автомобиль — тем больше требуется энергии».
Самоперестраивающийся лазер совмещает оптическое поле с механическим движением высококонтрастной отражательной дифракционной решетки (HCG, high-contrast grating). Зеркало HCG поддерживается механическими пружинами, соединенными со слоями полупроводника. Красный слой усиливает лазер, а синие слои формируют второе зеркало системы. Сила света заставляет верхнее зеркало вибрировать с высокой частотой. Вибрация позволяет лазеру автоматически менять цвет при сканировании.
Новизна конструкции состоит в интегрировании полупроводникового лазера с зеркалом. Размер такого лазера не превышают нескольких сотен микрометров и он может получать питание от батарейки АА.

Соединение лазера со сверхтонкой, высококонтрастной отражательной дифракционной решеткой позволило исследователям использовать силу света для движения зеркала. Зеркало, состоящее из рядов длинных микровыступов, было разработано лабораторией Чен-Хаснейна и было недавно использовано для создания материала со свойствами способной менять окраску кожи хамелеона. При силе всего в несколько наноньютонов( около одной тысячной веса муравья) свет прилагает достаточно энергии, чтобы зеркало начало вибрировать.

«Свет похож на ребенка на качелях — под его воздействием зеркало раскачивается, — рассказывает Ян. — Если ребенок владеет собственным телом, он получает удовольствие от этого свободного качания без вмешательства внешней силы. То же самое происходит в этом самоперестраиваемом лазере».

В своих экспериментах исследователи обнаружили, что это оптомеханическое взаимодействие лазера и зеркала может перестраиваться в диапазоне длин волн более 23 нанометров в ИК-спектре без необходимости внешнего управления.

«Этот диапазон длин волн будет достаточным для системы, которая сможет обсчитывать 50-микрометровый профиль поверхности, даже когда цель находится на расстоянии десятков метров», — утверждает соавтор исследования Адэр Гербе (Adair Gerke), аспирант из группы Чен-Хаснейн.

Более того, цикл перестраивания может составлять несколько сотен наносекунд, что дает возможность нескольких миллионов перестраиваний в секунду. Это позволяет реализовать трехмерное сканирование для видео в реальном времени и визуализации изменений глубины скандируемой сцены

Авторы исследования сообщили, что на следующем этапе исследования новая конструкция лазера будет интегрирована в имеющиеся системы лидаров и ОКТ.