<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(shù)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(xiàn)有技術(shù)的能力，現(xiàn)有技術(shù)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(lǐng)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(xiàn)在展示了一種可編程的無線設(shè)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(shè)備的速度快了幾個數(shù)量級。</p> <p>&nbsp;</p> <p>他們還開創(chuàng)了一種制造工藝，以確保設(shè)備的質(zhì)量在大規(guī)模生產(chǎn)時保持近乎完美。這將使他們的設(shè)備在現(xiàn)實環(huán)境中更可行。</p> <p>該設(shè)備被稱為空間光調(diào)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(xiàn)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(xiàn)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(shù)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(shù)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(diào)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(jīng)過的光束進行轉(zhuǎn)換，將其聚焦在一個方向上，或?qū)⑵湔凵涞蕉鄠€位置以形成圖像。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在SLM內(nèi)部，一個二維光調(diào)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(shè)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(xiàn)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(jīng)足夠設(shè)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(diào)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(shè)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(zhuǎn)向性能。我們的過程本質(zhì)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(xiàn)這一目標，研究人員開發(fā)了一種新的算法來設(shè)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(diào)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(shù)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(shè)備意味著該陣列不僅是可編程和可重構(gòu)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(shè)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(shè)備是一個長達數(shù)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(shù)，這樣該設(shè)備就可以大規(guī)模生產(chǎn)。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(chǎn)工藝，在12英寸的硅片上印上數(shù)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(shè)備架構(gòu)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(shù)。&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(chǎn)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(shè)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(shè)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(xiàn)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(shè)備成為可能，例如高性能通信系統(tǒng)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>現(xiàn)在，他們已經(jīng)完善了制造過程，研究人員正致力于制造更大的設(shè)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>