研究人员开发利用“光子晶体”的新型光束扫描设备

从超市的条码扫描器到新型智能手机上的摄像头，激光扫描器是我们日常生活中不可缺少的一部分，依靠激光器和探测器来实现精准定位。 |M?s[}ll  
6|=]i-8  
使用激光雷达（LiDAR）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。 f}yRTR GJv  
LGc8w>qE  
目前的技术实现方法是将激光束从移动的镜子上反射出去，这种机械方法导致了较慢的扫描速度和不精确性，更不用说容纳激光和镜子的设备的巨大物理尺寸和复杂性。 q]1p Q)\'p  
 L]l/w  
日本京都大学大学院工学研究科的研究小组在《Nature Communications》上发表文章，描述了利用“光子晶体”的新型光束扫描装置，消除了对移动部件的需求。研究人员发现，改变晶格点的形状和位置会导致激光束以独特的方向发射，而不是将晶体的晶格点有序地排列在一起。 mx)!]B"  
g{Av =66Z  
“一个光子晶体的晶格，看起来就像一块瑞士奶酪，每个晶体都被计算出在一个特定的方向上发射光束，”领导该团队的野田进（Susumu Noda）解释说“通过消除机械镜，我们制造出了一种更快、更可靠的光束扫描设备。” 4Q!
%16 P  
/[?}LrDO  
&B5&:ib1D  
光子晶体激光器是一种“半导体激光器”，它的晶格点可以看作是纳米级的天线，通过排列可以使激光束从表面垂直发射。但最初光束只能在二维平面上朝一个方向前进，团队需要覆盖更多的区域。周期性地排列天线位置，成功地改变了方向，但功率输出的下降和变形的形状使这一解决方案不可行。 /SJ><  
#|T"6jJaQ  
“调制天线位置会导致相邻天线发出的光相互抵消，”野田继续说道，“这导致我们尝试改变天线尺寸。最终，我们发现调整位置和尺寸都会导致看似随机的光子晶体，产生准确的光束，而没有功率损耗。我们将其称为‘双调制光子晶体’。” {_!,T%>+1  
G+fo'ThG  
9qDM0'W
uU  
通过将这些晶体（每个晶体被设计成以独特的方向发射光束）组织在一个矩阵中，该团队能够在不需要任何机械部件的情况下构建一个紧凑的、可切换的二维光束扫描仪。 @(c^u;  
E q4tcZ  
科学家们已经成功地构建了一个可以在一百个不同方向上产生光束的扫描仪：分辨率为10×10。同时还将其与分歧的激光束结合起来，形成了一种新型的激光雷达，增强了探测物体的范围。该团队估计，如果进一步完善，分辨率可以提高900倍：达到300×300的分辨率范围。 Rk5#5R n  
I:t?#)wl  
“起初，人们对看似如此随机的结构是否真的能发挥作用持怀疑态度，”野田总结道。“现在我们相信，我们能够开发出一个小到可以握在指尖上的激光雷达系统。” ZklO9Ox(  
>&\.{ aj  
相关链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-17092-w