Forskare vid Purdue University och Stanford University har hittat en ny laserljusavkänningsteknik som är storleksordningen mer känslig och snabbare än avancerade sensorenheter.Tekniken använder ett nytt koncept för optisk frekvensstyrd teknik som är mer robust. Kredit:Purdue Research Foundation image
Forskare vid Purdue University och Stanford University tror att de har hittat en ny laserljusavkänningsteknik som är mer robust och billigare än för närvarande tillgänglig med ett brett spektrum av användningsområden, inklusive ett sätt att styra helt autonoma fordon.
Forskarna säger att deras innovation är storleksordningar snabbare än konventionella avancerade laserstrålestyrenheter som använder fasad antenn-array-teknik. Laserstrålstyrningen som testas och används av Purdue och Stanford är baserad på ljus-materia-interaktion mellan en kiselbaserad metasyta och korta ljuspulser som produceras till exempel av en mode-låst laser med ett frekvenskammspektrum. En sådan strålstyrningsanordning kan skanna en stor synvinkel i nanosekunder eller picosekunder jämfört med de mikrosekunder som dagens teknik tar.
"Denna teknik är mycket mindre komplex och använder mindre ström än befintlig teknik, "sade Amr Shaltout, en postdoktor i materialvetenskap och teknik vid Stanford som tänkt idén för metoden.
"Tekniken slår samman två olika områden av nanofotoniska metasytor och ultrasnabb optik."
Laserstrålstyrning är en viktig teknik som kan användas inom en mängd olika områden, inklusive navigering, rymdflygningar, radarapplikationer, bildbehandling, tag-skannrar, robotik, arkeologi, kartläggning och atmosfärisk fysik. Snabbare laserskanning är direkt relaterad till högre bildhastigheter samt förbättrad bildupplösning.
Shaltout kom på konceptet medan han fick sin doktorsexamen. från forskargruppen Vladimir Shalaev vid Purdues School of Electrical and Computer Engineering och avgränsade den vid Stanford när han arbetade med forskargruppen till Mark Brongersma.
"Idén som föreslogs av Amr är så kraftfull att vi var ärligt förvånade över att ingen gjorde det förut eftersom det är så enkelt, så effektiv, mycket enklare än vad folk använt hittills och fungerar mycket snabbare, "sade Shalaev, the Bob and Anne Burnett Distinguished Professor of Electrical and Computer Engineering at Purdue. Detta som ett underbart exempel på fruktbart samarbete mellan Purdue och Stanford. "
Forskarna säger att deras innovation är chipkompatibel teknik som inte kräver ytterligare energikällor. Det är baserat på ljus-materia-interaktion mellan metasytor och korta pulser från mode-låsta lasrar med lika åtskilda fasfasade låsfrekvenslinjer. Ett annat viktigt element är att använda en metayta baserad på mönstrad kiselfilm.
En ny laserljusavkänningsteknologi skulle använda en optisk metayta och en inmatad ultrasnabb puls med ett spektrum som består av frekvenskam, eller lika åtskilda faslåsta frekvenslinjer. Metasytan fokuserar dessa frekvenskomponenter till en rad närliggande platser i rymden. Dessa fokuserade platser för olika frekvenser fungerar som den nödvändiga frekvensuppsatta källan, som styr den genererade laserstrålen (röd pil) med en snabbare hastighet. Upphovsman:Purdue University
"Det är grunden för alla elektroniska kretsar i nanoskala för att ge denna spännande funktionalitet som gör att strålstyrningen kan ske, sa Brongersma, professor i Stanfords institution för materialvetenskap och teknik.
Autonoma bilar är beroende av ljusdetektering och räckvidd, eller lidar, som liknar radar avger istället infrarött eller synligt ljus som mäter hur lång tid det tar för pulserna att reflektera från objekt och ta deras bilder. Det skulle ersätta den snurrande enheten som ofta ses ovanpå taket på autonoma bilar. Men den befintliga tekniken är fortfarande dyr när företag letar efter sätt att förändra den växande autonoma bilindustrin.
Shaltout sa att användningen av fotoniska metasytor var nyckeln till den nya utvecklingen. Han sa att metasytor ger enkla, kompakta och energieffektiva lösningar för fotonikdesign. Kombinationen av dessa två tekniker ger ett mycket enklare tillvägagångssätt.
I den nuvarande fas-array optiska tekniken, varje antenn måste styras i vad den utstrålar individuellt. Under Shaltouts system, var och en av strukturerna avger något olika frekvenser, vilket innebär att det inte finns något behov av att adressera varje enskild antenn kontinuerligt och förbrukar ström under den processen.
Shaltout sa att en tvärvetenskaplig lösning var nyckelfaktorn.
"Ibland hjälper arbetet utanför vårt fält oss att se, att hitta lösningar på problem inom olika områden och bara länka ihop dem, " han sa.
Utmaningen för forskarna nu är att skala upp innovationen och flytta den från laboratoriet till den verkliga världen. De letar efter investerare, partner eller eventuellt licensavtal när de arbetar för att öka tekniken. Den första utvecklingen kan vara inom områden som skanningsenheter i butiker, flygplatser eller i många andra områden innan du går vidare till autonoma bilar och tillverkare av originalutrustning för bilar.
"Detta verkar vara en störande lösning som kan göra stor skillnad i denna enorma, framväxande industri, Sa Shalaev.
