<p><img src="https://info.compassedu.hk/sucai/content/1669689099953/1669689099953.jpg" width="808" height="454" /></p> <p>在《星球大戰(zhàn)4:新希望》的一個(gè)場(chǎng)景中，R2D2投射出萊婭公主絕望地請(qǐng)求幫助的三維全息圖像。這一幕拍攝于45年前，包含了一點(diǎn)電影的魔力&mdash;&mdash;即使在今天，我們也沒(méi)有技術(shù)來(lái)創(chuàng)造如此逼真和動(dòng)態(tài)的全息圖像。</p> <p>&nbsp;</p> <p>生成一個(gè)獨(dú)立的3D全息圖需要極其精確和快速的光控制，這超出了現(xiàn)有技術(shù)的能力，現(xiàn)有技術(shù)是基于液晶或微鏡的。</p> <p>&nbsp;</p> <p>由麻省理工學(xué)院的一個(gè)團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際研究小組，花了四年多的時(shí)間來(lái)解決高速光束形成的問(wèn)題。他們現(xiàn)在展示了一種可編程的無(wú)線設(shè)備，可以控制光線，比如將光束聚焦到特定的方向，或者操縱光的強(qiáng)度，而且比商業(yè)設(shè)備的速度快了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>他們還開(kāi)創(chuàng)了一種制造工藝，以確保設(shè)備的質(zhì)量在大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)保持近乎完美。這將使他們的設(shè)備在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中更可行。</p> <p>該設(shè)備被稱為空間光調(diào)制器，可用于為自動(dòng)駕駛汽車(chē)創(chuàng)建超高速激光雷達(dá)(光探測(cè)和測(cè)距)傳感器，它可以比現(xiàn)有的機(jī)械系統(tǒng)快大約100萬(wàn)倍。它還可以加速大腦掃描儀，這種掃描儀利用光&ldquo;看到&rdquo;組織。由于能夠更快地成像組織，掃描儀可以生成分辨率更高的圖像，而不受活體組織動(dòng)態(tài)波動(dòng)噪聲的影響，比如流動(dòng)的血液。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;我們專注于控制光線，這是自古以來(lái)反復(fù)出現(xiàn)的研究主題。我們的開(kāi)發(fā)是朝著完全光學(xué)控制的終極目標(biāo)邁出的又一大步&mdash;&mdash;在空間和時(shí)間上&mdash;&mdash;為無(wú)數(shù)使用光的應(yīng)用程序，&rdquo;22歲的首席作者克里斯托弗&middot;帕努斯基博士說(shuō)，他最近從電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)博士畢業(yè)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>這篇論文是麻省理工學(xué)院的研究人員合作完成的;Flexcompute有限公司;斯特拉斯克萊德大學(xué);紐約州立大學(xué)理工學(xué)院;應(yīng)用納米工具公司;羅切斯特理工學(xué)院;以及美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室。資深作者是Dirk Englund，麻省理工學(xué)院電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)副教授，電子研究實(shí)驗(yàn)室(RLE)和微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(MTL)的研究員。這項(xiàng)研究發(fā)表在今天的《自然光子學(xué)》上。</p> <p>&nbsp;</p> <p><span class="h1"><strong>操縱光</strong></span></p> <p>&nbsp;</p> <p>空間光調(diào)制器(SLM)是一種通過(guò)控制光的發(fā)射特性來(lái)操縱光的裝置。與投影儀或電腦屏幕類似，SLM將經(jīng)過(guò)的光束進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將其聚焦在一個(gè)方向上，或?qū)⑵湔凵涞蕉鄠€(gè)位置以形成圖像。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在SLM內(nèi)部，一個(gè)二維光調(diào)制器陣列控制著光線。但是光的波長(zhǎng)只有幾百納米，所以要精確控制高速的光，該設(shè)備需要一個(gè)極其密集的納米級(jí)控制器陣列。研究人員使用光子晶體微腔陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。這些光子晶體諧振器允許光在波長(zhǎng)尺度上被控制地存儲(chǔ)、操縱和發(fā)射。</p> <p>&nbsp;</p> <p>當(dāng)光進(jìn)入一個(gè)空腔時(shí)，它會(huì)停留大約1納秒，在泄漏到太空之前會(huì)反彈超過(guò)10萬(wàn)次。雖然一納秒只是十億分之一秒，但這已經(jīng)足夠設(shè)備精確地操縱光了。通過(guò)改變腔的反射率，研究人員可以控制光的逃逸方式。同時(shí)控制該陣列可以調(diào)制整個(gè)光場(chǎng)，因此研究人員可以快速而精確地控制一束光。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;我們的設(shè)備的一個(gè)新穎的方面是它的工程輻射模式。我們希望每個(gè)腔的反射光都是聚焦光束，因?yàn)檫@樣可以提高最終器件的光束轉(zhuǎn)向性能。我們的過(guò)程本質(zhì)上是一個(gè)理想的光學(xué)天線，&rdquo;帕努斯基說(shuō)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員開(kāi)發(fā)了一種新的算法來(lái)設(shè)計(jì)光子晶體器件，當(dāng)光從每個(gè)腔中穿過(guò)時(shí)，它會(huì)形成一個(gè)狹窄的光束，他解釋說(shuō)。</p> <p>&nbsp;</p> <p><span class="h1"><strong>用光來(lái)控制光</strong></span></p> <p>&nbsp;</p> <p>該團(tuán)隊(duì)使用一個(gè)微型led顯示屏來(lái)控制SLM。LED像素與硅芯片上的光子晶體對(duì)齊，因此打開(kāi)一個(gè)LED就調(diào)節(jié)了一個(gè)微腔。當(dāng)激光擊中激活的微腔時(shí)，基于LED發(fā)出的光，該微腔對(duì)激光的反應(yīng)不同。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;高速LED-on-CMOS顯示器作為微尺度光泵浦源的應(yīng)用是集成光子技術(shù)和開(kāi)放合作的好處的一個(gè)完美例子。我們很高興能與麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)在這個(gè)雄心勃勃的項(xiàng)目上合作，&rdquo;斯特拉斯克萊德大學(xué)光子學(xué)研究所教授Michael Strain說(shuō)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Panuski說(shuō)，使用led控制設(shè)備意味著該陣列不僅是可編程和可重構(gòu)的，而且是完全無(wú)線的。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;這是一個(gè)全光學(xué)控制過(guò)程。沒(méi)有金屬線，我們可以把設(shè)備放置得更近，而不用擔(dān)心吸收損失，&rdquo;他補(bǔ)充說(shuō)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>弄清楚如何以可擴(kuò)展的方式制造如此復(fù)雜的設(shè)備是一個(gè)長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的過(guò)程。研究人員希望使用制造計(jì)算機(jī)集成電路的相同技術(shù)，這樣該設(shè)備就可以大規(guī)模生產(chǎn)。但是微觀偏差在任何制造過(guò)程中都會(huì)發(fā)生，而且由于芯片上有微米大小的空腔，這些微小的偏差可能會(huì)導(dǎo)致性能的巨大波動(dòng)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究人員與空軍研究實(shí)驗(yàn)室合作開(kāi)發(fā)了一種高精度的大規(guī)模生產(chǎn)工藝，在12英寸的硅片上印上數(shù)十億個(gè)空腔。然后他們加入了后處理步驟，以確保所有微腔都在相同的波長(zhǎng)下工作。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;一開(kāi)始，獲得一個(gè)真正可制造的設(shè)備架構(gòu)是巨大的挑戰(zhàn)之一。我想，這一切之所以成為可能，是因?yàn)镃hris與Mike Fanto和一個(gè)優(yōu)秀的工程師和科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在AFRL、AIM Photonics和我們的其他合作者密切合作了多年，還因?yàn)镃hris發(fā)明了一種基于機(jī)器視覺(jué)的全息校正新技術(shù)。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>在這個(gè)&ldquo;修整&rdquo;過(guò)程中，研究人員用激光照射微腔。激光將硅加熱到1000多攝氏度，產(chǎn)生二氧化硅或玻璃。研究人員創(chuàng)造了一個(gè)系統(tǒng)，可以用同一束激光同時(shí)爆炸所有的空腔，并添加一層玻璃來(lái)完美地校準(zhǔn)共振&mdash;&mdash;即空腔振動(dòng)的固有頻率。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;在修改了一些制造過(guò)程的特性后，我們表明，我們能夠在具有非常好的均勻性的鑄造過(guò)程中制造世界級(jí)的設(shè)備。這是這項(xiàng)工作的一個(gè)重要方面&mdash;&mdash;弄清楚如何使它們可制造，&rdquo;帕努斯基說(shuō)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>該設(shè)備展示了近乎完美的控制&mdash;&mdash;在空間和時(shí)間上&mdash;&mdash;光場(chǎng)的聯(lián)合&ldquo;時(shí)空帶寬&rdquo;是現(xiàn)有SLMs的10倍。如果能夠精確控制巨大的光帶寬，就可以使能夠極快地?cái)y帶大量信息的設(shè)備成為可能，例如高性能通信系統(tǒng)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>現(xiàn)在，他們已經(jīng)完善了制造過(guò)程，研究人員正致力于制造更大的設(shè)備，用于量子控制或超快傳感和成像。</p> <p>&nbsp;</p> <p>該研究部分由赫茲基金會(huì)、NDSEG獎(jiǎng)學(xué)金項(xiàng)目、施密特博士后獎(jiǎng)、以色列Vatat獎(jiǎng)學(xué)金、美國(guó)陸軍研究室、美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室、英國(guó)工程與物理科學(xué)研究委員會(huì)和皇家工程院資助。</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學(xué)態(tài)度觀點(diǎn)。</p> </blockquote>