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研究人员描述了一种利用光子晶体的新型光束扫描设备

从超市的条形码扫描仪到新型智能手机的摄像头,激光扫描仪是我们日常生活中不可或缺的一部分,它依靠激光仪和检测器来精确定位。使用LiDAR(光和雷达的组合)进行距离和物体识别正变得越来越普遍:反射的激光束记录了周围的环境,为自动驾驶汽车,农业机械和工厂机器人提供了关键数据。

当前的技术将激光束从移动反射镜上反射出来,这是一种机械方法,会导致扫描速度降低和不准确,更不用说容纳激光和反射镜的设备的巨大物理尺寸和复杂性。

京都大学工程研究生院的一个研究小组在《自然通讯》上发表了一篇论文,描述了一种利用“光子晶体”的新型光束扫描设备,从而无需移动部件。

研究人员发现,改变晶格点的形状和位置会导致沿特定方向发射激光束,而不是将晶体的晶格点排列成有序的阵列。

团队的负责人Susumu Noda解释说:“结果是一个光子晶体的晶格,看起来像一块瑞士奶酪,其中每个晶体都被计算为沿特定方向发射光束。”

“通过消除机械镜,我们制造了更快,更可靠的光束扫描设备。”

光子晶体激光器是一种“半导体激光器”,其晶格点可以看作是纳米级天线,可以将其布置为使激光束从表面垂直发射。但是最初,光束只会在二维平面上沿单个方向传播;团队需要覆盖更多区域。

周期性地排列天线位置可以成功地改变方向,但是功率输出的减少和形状的变形使该解决方案不可行。

Noda继续说:“调制天线位置会导致相邻天线发出的光相互抵消,从而导致我们尝试改变天线尺寸。”

“最终,我们发现同时调整位置和尺寸会产生看似随机的光子晶体,从而产生无功率损失的精确光束。我们称其为'双调制光子晶体'。”

通过以矩阵形式组织这些晶体(每个晶体都设计为沿唯一的方向发射光束),该团队能够构建紧凑,可切换的二维光束扫描仪,而无需任何机械零件。

科学家们成功地构建了一种扫描仪,该扫描仪可以在一百个不同方向上产生光束:分辨率为10×10。它还与发散的激光束结合在一起,形成了一种新型的LiDAR,具有更大的检测范围。

研究小组估计,如果进一步完善,分辨率可以提高900倍:分辨率范围达到300×300。

野田总结说:“起初,人们对一个看似如此随机的结构是否真的可以起作用很感兴趣。” “我们现在相信,最终我们将能够开发出足够轻巧的LiDAR系统。”

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