I ricercatori della Purdue University e della Stanford University hanno scoperto una nuova tecnologia di rilevamento della luce laser che è ordini di grandezza più sensibile e più veloce dei dispositivi sensori all'avanguardia. La tecnologia utilizza un nuovo concetto di tecnica a matrice di frequenza ottica che è più robusta. Credito:immagine della Purdue Research Foundation
I ricercatori della Purdue University e della Stanford University ritengono di aver trovato una nuova tecnologia di rilevamento della luce laser più robusta e meno costosa di quella attualmente disponibile con un'ampia gamma di usi, incluso un modo per guidare veicoli completamente autonomi.
I ricercatori affermano che la loro innovazione è ordini di grandezza più veloce rispetto ai tradizionali dispositivi di orientamento del raggio laser all'avanguardia che utilizzano la tecnologia phased antenna-array. Lo sterzo del raggio laser testato e utilizzato da Purdue e Stanford si basa sull'interazione luce-materia tra una metasuperficie a base di silicio e brevi impulsi luminosi prodotti ad esempio da un laser a modalità bloccata con uno spettro a pettine di frequenza. Un tale dispositivo di guida del raggio può scansionare un ampio angolo di vista in nanosecondi o picosecondi rispetto ai microsecondi che impiega la tecnologia attuale.
"Questa tecnologia è molto meno complessa e utilizza meno energia rispetto alle tecnologie esistenti, " ha detto Amr Shaltout, un ricercatore post-dottorato in Scienza e ingegneria dei materiali a Stanford che ha concepito l'idea del metodo.
"La tecnologia fonde due diversi campi di metasuperfici nanofotoniche e ottica ultraveloce".
La direzione del raggio laser è una tecnologia vitale che può essere utilizzata in un'ampia varietà di aree tra cui la navigazione, Voli spaziali, applicazioni radar, immagini, scanner di tag, robotica, archeologia, mappatura e fisica dell'atmosfera. La scansione laser più veloce è direttamente correlata a frame rate più elevati e a una migliore risoluzione delle immagini.
Shaltout ha ideato il concetto mentre conseguiva il suo dottorato di ricerca. dal gruppo di ricerca Vladimir Shalaev presso la Purdue's School of Electrical and Computer Engineering e lo ha delineato a Stanford quando lavorava con il gruppo di ricerca di Mark Brongersma.
"L'idea proposta da Amr è così potente che siamo rimasti sinceramente sorpresi che nessuno l'abbia fatto prima perché è così semplice, così efficiente, molto più facile di quello che le persone hanno usato finora e funziona molto più velocemente, " disse Shalaev, il Bob e Anne Burnett Distinguished Professor di Ingegneria Elettrica e Informatica a Purdue. Questo è un meraviglioso esempio di fruttuosa collaborazione tra Purdue e Stanford".
I ricercatori affermano che la loro innovazione è una tecnologia compatibile con i chip che non richiede ulteriori fonti di energia. Si basa sull'interazione luce-materia tra metasuperfici e brevi impulsi da laser mode-locked con linee di frequenza phased-lock equidistanti. Un altro elemento chiave è l'utilizzo di una metasuperficie basata su una pellicola di silicio modellata.
Una nuova tecnologia di rilevamento della luce laser utilizzerebbe una metasuperficie ottica e un impulso ultraveloce in ingresso con uno spettro costituito da un pettine di frequenza, o linee di frequenza ad aggancio di fase equidistanti. La metasuperficie focalizza queste componenti di frequenza su una serie di posizioni adiacenti nello spazio. Queste posizioni focalizzate di diverse frequenze funzionano come la sorgente di array di frequenze richiesta, che dirige il raggio laser generato (freccia rossa) a una velocità maggiore. Credito:Purdue University
"Questa è la base per tutti i circuiti elettronici su scala nanometrica per fornire questa funzionalità entusiasmante che consente di realizzare lo sterzo del raggio, " ha detto Brongersma, un professore nel Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali di Stanford.
Le auto autonome dipendono dal rilevamento e dalla distanza della luce, o lidar, che è simile al radar emette solo luce infrarossa o visibile che misura il tempo impiegato dagli impulsi per riflettere gli oggetti e acquisire le loro immagini. Sostituirebbe il dispositivo rotante spesso visto sui tetti delle auto a guida autonoma. Ma la tecnologia esistente rimane costosa poiché le aziende cercano modi per trasformare la fiorente industria delle auto a guida autonoma.
Shaltout ha affermato che l'uso di metasuperfici fotoniche è stata la chiave del nuovo progresso. Ha detto che le metasuperfici forniscono semplici, soluzioni compatte ed efficienti dal punto di vista energetico per la progettazione fotonica. La combinazione di queste due tecnologie fornisce un approccio molto più semplice.
Nell'attuale tecnologia ottica phased-array, ogni antenna deve essere controllata in ciò che irradia individualmente. Sotto il sistema di Shaltout, ciascuna delle strutture emette frequenze leggermente diverse, il che significa che non è necessario indirizzare continuamente ogni singola antenna e consumare energia durante tale processo.
Shaltout ha affermato che il fattore chiave è una soluzione interdisciplinare.
"A volte lavorare al di fuori del nostro campo ci aiuta a vedere, per trovare soluzioni a problemi in diversi campi e collegarli tra loro, " Egli ha detto.
La sfida per i ricercatori ora è aumentare l'innovazione e spostarla dal laboratorio al mondo reale. Cercano investitori, partner o eventualmente accordi di licenza mentre lavorano per andare avanti e aumentare la tecnologia. I primi sviluppi potrebbero riguardare aree come i dispositivi di scansione nei negozi, aeroporti o in molte altre aree prima di passare alle auto a guida autonoma e ai produttori di apparecchiature originali per automobili.
"Questa sembra essere una soluzione dirompente che potrebbe fare una grande differenza in questo enorme, settore emergente, " ha detto Shalaev.
