<p><img src="https://info.compassedu.hk/sucai/content/1669689099953/1669689099953.jpg" width="808" height="454" /></p> <p>在《星球大戰(zhàn)4:新希望》的一個場景中，R2D2投射出萊婭公主絕望地請求幫助的三維全息圖像。這一幕拍攝于45年前，包含了一點電影的魔力&mdash;&mdash;即使在今天，我們也沒有技術來創(chuàng)造如此逼真和動態(tài)的全息圖像。</p> <p>&nbsp;</p> <p>生成一個獨立的3D全息圖需要極其精確和快速的光控制，這超出了現有技術的能力，現有技術是基于液晶或微鏡的。</p> <p>&nbsp;</p> <p>由麻省理工學院的一個團隊領導的一個國際研究小組，花了四年多的時間來解決高速光束形成的問題。他們現在展示了一種可編程的無線設備，可以控制光線，比如將光束聚焦到特定的方向，或者操縱光的強度，而且比商業(yè)設備的速度快了幾個數量級。</p> <p>&nbsp;</p> <p>他們還開創(chuàng)了一種制造工藝，以確保設備的質量在大規(guī)模生產時保持近乎完美。這將使他們的設備在現實環(huán)境中更可行。</p> <p>該設備被稱為空間光調制器，可用于為自動駕駛汽車創(chuàng)建超高速激光雷達(光探測和測距)傳感器，它可以比現有的機械系統(tǒng)快大約100萬倍。它還可以加速大腦掃描儀，這種掃描儀利用光&ldquo;看到&rdquo;組織。由于能夠更快地成像組織，掃描儀可以生成分辨率更高的圖像，而不受活體組織動態(tài)波動噪聲的影響，比如流動的血液。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;我們專注于控制光線，這是自古以來反復出現的研究主題。我們的開發(fā)是朝著完全光學控制的終極目標邁出的又一大步&mdash;&mdash;在空間和時間上&mdash;&mdash;為無數使用光的應用程序，&rdquo;22歲的首席作者克里斯托弗&middot;帕努斯基博士說，他最近從電氣工程和計算機科學博士畢業(yè)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>這篇論文是麻省理工學院的研究人員合作完成的;Flexcompute有限公司;斯特拉斯克萊德大學;紐約州立大學理工學院;應用納米工具公司;羅切斯特理工學院;以及美國空軍研究實驗室。資深作者是Dirk Englund，麻省理工學院電氣工程和計算機科學副教授，電子研究實驗室(RLE)和微系統(tǒng)技術實驗室(MTL)的研究員。這項研究發(fā)表在今天的《自然光子學》上。</p> <p>&nbsp;</p> <p><span class="h1"><strong>操縱光</strong></span></p> <p>&nbsp;</p> <p>空間光調制器(SLM)是一種通過控制光的發(fā)射特性來操縱光的裝置。與投影儀或電腦屏幕類似，SLM將經過的光束進行轉換，將其聚焦在一個方向上，或將其折射到多個位置以形成圖像。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在SLM內部，一個二維光調制器陣列控制著光線。但是光的波長只有幾百納米，所以要精確控制高速的光，該設備需要一個極其密集的納米級控制器陣列。研究人員使用光子晶體微腔陣列來實現這一目標。這些光子晶體諧振器允許光在波長尺度上被控制地存儲、操縱和發(fā)射。</p> <p>&nbsp;</p> <p>當光進入一個空腔時，它會停留大約1納秒，在泄漏到太空之前會反彈超過10萬次。雖然一納秒只是十億分之一秒，但這已經足夠設備精確地操縱光了。通過改變腔的反射率，研究人員可以控制光的逃逸方式。同時控制該陣列可以調制整個光場，因此研究人員可以快速而精確地控制一束光。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;我們的設備的一個新穎的方面是它的工程輻射模式。我們希望每個腔的反射光都是聚焦光束，因為這樣可以提高最終器件的光束轉向性能。我們的過程本質上是一個理想的光學天線，&rdquo;帕努斯基說。</p> <p>&nbsp;</p> <p>為了實現這一目標，研究人員開發(fā)了一種新的算法來設計光子晶體器件，當光從每個腔中穿過時，它會形成一個狹窄的光束，他解釋說。</p> <p>&nbsp;</p> <p><span class="h1"><strong>用光來控制光</strong></span></p> <p>&nbsp;</p> <p>該團隊使用一個微型led顯示屏來控制SLM。LED像素與硅芯片上的光子晶體對齊，因此打開一個LED就調節(jié)了一個微腔。當激光擊中激活的微腔時，基于LED發(fā)出的光，該微腔對激光的反應不同。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;高速LED-on-CMOS顯示器作為微尺度光泵浦源的應用是集成光子技術和開放合作的好處的一個完美例子。我們很高興能與麻省理工學院的團隊在這個雄心勃勃的項目上合作，&rdquo;斯特拉斯克萊德大學光子學研究所教授Michael Strain說。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Panuski說，使用led控制設備意味著該陣列不僅是可編程和可重構的，而且是完全無線的。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;這是一個全光學控制過程。沒有金屬線，我們可以把設備放置得更近，而不用擔心吸收損失，&rdquo;他補充說。</p> <p>&nbsp;</p> <p>弄清楚如何以可擴展的方式制造如此復雜的設備是一個長達數年的過程。研究人員希望使用制造計算機集成電路的相同技術，這樣該設備就可以大規(guī)模生產。但是微觀偏差在任何制造過程中都會發(fā)生，而且由于芯片上有微米大小的空腔，這些微小的偏差可能會導致性能的巨大波動。</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究人員與空軍研究實驗室合作開發(fā)了一種高精度的大規(guī)模生產工藝，在12英寸的硅片上印上數十億個空腔。然后他們加入了后處理步驟，以確保所有微腔都在相同的波長下工作。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;一開始，獲得一個真正可制造的設備架構是巨大的挑戰(zhàn)之一。我想，這一切之所以成為可能，是因為Chris與Mike Fanto和一個優(yōu)秀的工程師和科學家團隊在AFRL、AIM Photonics和我們的其他合作者密切合作了多年，還因為Chris發(fā)明了一種基于機器視覺的全息校正新技術。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>在這個&ldquo;修整&rdquo;過程中，研究人員用激光照射微腔。激光將硅加熱到1000多攝氏度，產生二氧化硅或玻璃。研究人員創(chuàng)造了一個系統(tǒng)，可以用同一束激光同時爆炸所有的空腔，并添加一層玻璃來完美地校準共振&mdash;&mdash;即空腔振動的固有頻率。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;在修改了一些制造過程的特性后，我們表明，我們能夠在具有非常好的均勻性的鑄造過程中制造世界級的設備。這是這項工作的一個重要方面&mdash;&mdash;弄清楚如何使它們可制造，&rdquo;帕努斯基說。</p> <p>&nbsp;</p> <p>該設備展示了近乎完美的控制&mdash;&mdash;在空間和時間上&mdash;&mdash;光場的聯(lián)合&ldquo;時空帶寬&rdquo;是現有SLMs的10倍。如果能夠精確控制巨大的光帶寬，就可以使能夠極快地攜帶大量信息的設備成為可能，例如高性能通信系統(tǒng)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>現在，他們已經完善了制造過程，研究人員正致力于制造更大的設備，用于量子控制或超快傳感和成像。</p> <p>&nbsp;</p> <p>該研究部分由赫茲基金會、NDSEG獎學金項目、施密特博士后獎、以色列Vatat獎學金、美國陸軍研究室、美國空軍研究實驗室、英國工程與物理科學研究委員會和皇家工程院資助。</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學態(tài)度觀點。</p> </blockquote>