I laser a scansione, dai lettori di codici a barre del supermercato alle fotocamere dei nuovi smartphone, sono una parte indispensabile della nostra vita quotidiana, affidandosi a laser e rilevatori per la massima precisione.

Il riconoscimento della distanza e degli oggetti tramite LiDAR, un insieme di luce e radar, sta diventando sempre più comune:i raggi laser riflessi registrano l'ambiente circostante, fornendo dati cruciali per le auto autonome, macchine agricole, e robot di fabbrica.

La tecnologia attuale fa rimbalzare i raggi laser sugli specchi mobili, un metodo meccanico che si traduce in velocità di scansione più lente e imprecisioni, per non parlare delle grandi dimensioni fisiche e della complessità dei dispositivi che ospitano un laser e specchi.

Pubblicazione in Comunicazioni sulla natura , un gruppo di ricerca della Graduate School of Engineering dell'Università di Kyoto descrive un nuovo dispositivo di scansione del raggio che utilizza "cristalli fotonici", eliminando la necessità di parti mobili.

Invece di disporre i punti reticolari dei cristalli in una disposizione ordinata, i ricercatori hanno scoperto che la variazione delle forme e delle posizioni dei punti del reticolo ha causato l'emissione del raggio laser in direzioni uniche.

"Il risultato è un reticolo di cristalli fotonici che sembra una lastra di formaggio svizzero, dove ogni cristallo è calcolato per emettere il raggio in una direzione specifica, " spiega Susumu Noda, che guidava la squadra.

"Eliminando gli specchi meccanici, abbiamo realizzato un dispositivo di scansione del raggio più veloce e affidabile."

I laser a cristalli fotonici sono un tipo di "laser a semiconduttore" i cui punti reticolari possono essere considerati antenne su nanoscala, che può essere predisposto per far emettere un raggio laser perpendicolarmente alla superficie. Ma inizialmente il raggio andrebbe solo in un'unica direzione su un piano bidimensionale; la squadra aveva bisogno di più area da coprire.

La disposizione ciclica delle posizioni delle antenne ha portato a un cambio di direzione di successo, ma una diminuzione della potenza erogata e una forma deformata rendevano questa soluzione impraticabile.

"Modulando le posizioni delle antenne, la luce emessa dalle antenne adiacenti si annullava a vicenda, " continua Noda, "portandoci a provare a cambiare le dimensioni dell'antenna."

"Infine, abbiamo scoperto che la regolazione sia della posizione che delle dimensioni ha prodotto un cristallo fotonico apparentemente casuale, producendo un raggio preciso senza perdita di potenza. L'abbiamo chiamato "cristallo fotonico a doppia modulazione".

Organizzando questi cristalli, ciascuno progettato per emettere un raggio in una direzione unica, in una matrice, il team è stato in grado di costruire un compatto, commutabile, scanner a fascio bidimensionale senza la necessità di parti meccaniche.

Gli scienziati hanno costruito con successo uno scanner in grado di generare raggi in cento direzioni diverse:una risoluzione di 10×10. Questo è stato anche combinato con un raggio laser divergente, risultando in un nuovo tipo di LiDAR con una portata migliorata per rilevare gli oggetti.

Il team stima che con ulteriori perfezionamenti, la risoluzione può essere aumentata di un fattore 900:fino a un range di risoluzione 300×300.

"All'inizio c'era un grande interesse sul fatto che una struttura apparentemente così casuale potesse effettivamente funzionare, " conclude Noda. "Ora crediamo che alla fine saremo in grado di sviluppare un sistema LiDAR abbastanza piccolo da poter essere tenuto su un dito".