Des chercheurs de l'Université Purdue et de l'Université de Stanford ont découvert une nouvelle technologie de détection de la lumière laser qui est de plusieurs ordres de grandeur plus sensible et plus rapide que les dispositifs de détection de pointe. La technologie utilise un nouveau concept de technique de matrice de fréquence optique qui est plus robuste. Crédit :Image de la Fondation de recherche Purdue
Des chercheurs de l'Université Purdue et de l'Université Stanford pensent avoir trouvé une nouvelle technologie de détection de la lumière laser qui est plus robuste et moins chère que celle actuellement disponible avec un large éventail d'utilisations, y compris un moyen de guider des véhicules entièrement autonomes.
Les chercheurs affirment que leur innovation est de plusieurs ordres de grandeur plus rapide que les dispositifs de guidage de faisceau laser de pointe conventionnels qui utilisent la technologie des réseaux d'antennes en phase. L'orientation du faisceau laser testée et utilisée par Purdue et Stanford est basée sur une interaction lumière-matière entre une métasurface à base de silicium et de courtes impulsions lumineuses produites par exemple par un laser à mode verrouillé avec un spectre en peigne de fréquence. Un tel dispositif d'orientation du faisceau peut balayer un grand angle de vue en nanosecondes ou picosecondes par rapport aux microsecondes que prend la technologie actuelle.
« Cette technologie est beaucoup moins complexe et consomme moins d'énergie que les technologies existantes, " dit Amr Shaltout, un chercheur post-doctoral en science et ingénierie des matériaux à Stanford qui a conçu l'idée de la méthode.
"La technologie fusionne deux domaines différents des métasurfaces nanophotoniques et de l'optique ultrarapide."
La direction par faisceau laser est une technologie vitale qui peut être utilisée dans une grande variété de domaines, notamment la navigation, vols spatiaux, applications radars, imagerie, scanners de balises, robotique, archéologie, cartographie et physique de l'atmosphère. Un balayage laser plus rapide est directement lié à des fréquences d'images plus élevées ainsi qu'à une résolution d'imagerie améliorée.
Shaltout a proposé le concept tout en obtenant son doctorat. du groupe de recherche Vladimir Shalaev à l'École de génie électrique et informatique de Purdue et l'a délimité à Stanford en travaillant avec le groupe de recherche de Mark Brongersma.
"L'idée proposée par Amr est si puissante que nous avons été honnêtement surpris que personne ne l'ait fait avant parce que c'est si simple, si efficace, beaucoup plus facile que ce que les gens utilisaient jusqu'à présent et fonctionne beaucoup plus rapidement, " dit Chalaev, le professeur distingué Bob et Anne Burnett de génie électrique et informatique à Purdue. C'est un merveilleux exemple de collaboration fructueuse entre Purdue et Stanford."
Les chercheurs affirment que leur innovation est une technologie compatible avec les puces qui ne nécessite pas de sources d'énergie supplémentaires. Il est basé sur l'interaction lumière-matière entre les métasurfaces et les impulsions courtes de lasers à mode verrouillé avec des lignes de fréquence à verrouillage de phase également espacées. Un autre élément clé est l'utilisation d'une métasurface basée sur un film de silicium à motifs.
Une nouvelle technologie de détection de lumière laser utiliserait une métasurface optique et une impulsion ultrarapide d'entrée avec un spectre composé d'un peigne de fréquence, ou des lignes de fréquence à verrouillage de phase équidistantes. La métasurface focalise ces composantes de fréquence sur un réseau d'emplacements adjacents dans l'espace. Ces emplacements focalisés de différentes fréquences fonctionnent comme la source de fréquence requise, qui dirige le faisceau laser généré (flèche rouge) à une vitesse plus rapide. Crédit :Université Purdue
"C'est la base de tous les circuits électroniques à l'échelle nanométrique pour donner cette fonctionnalité passionnante qui permet à la direction du faisceau de se produire, " dit Brongersma, professeur au Département de science et d'ingénierie des matériaux de Stanford.
Les voitures autonomes dépendent de la détection de la lumière et de la télémétrie, ou lidar, qui est similaire au radar, émet uniquement une lumière infrarouge ou visible qui mesure le temps nécessaire aux impulsions pour se refléter sur les objets et prendre leurs images. Il remplacerait le dispositif de rotation fréquemment vu sur les toits des voitures autonomes. Mais cette technologie existante reste chère alors que les entreprises cherchent des moyens de transformer l'industrie automobile autonome en plein essor.
Shaltout a déclaré que l'utilisation de métasurfaces photoniques était la clé de la nouvelle avancée. Il a dit que les métasurfaces fournissent des solutions compactes et écoénergétiques pour la conception photonique. La combinaison de ces deux technologies offre une approche beaucoup plus simple.
Dans la technologie optique multiéléments actuelle, chaque antenne doit être contrôlée dans ce qu'elle rayonne individuellement. Sous le système de Shaltout, chacune des structures émet des fréquences légèrement différentes, ce qui signifie qu'il n'est pas nécessaire d'adresser chaque antenne individuelle en continu et de consommer de l'énergie pendant ce processus.
Shaltout a déclaré qu'une solution interdisciplinaire était le facteur clé.
"Parfois, travailler en dehors de notre domaine nous aide à voir, trouver des solutions à des problèmes dans différents domaines et les relier entre eux, " il a dit.
Le défi pour les chercheurs est maintenant de développer l'innovation et de la faire passer du laboratoire au monde réel. Ils recherchent des investisseurs, partenaires ou éventuellement des accords de licence alors qu'ils travaillent à faire progresser la technologie. Les premiers développements pourraient concerner des domaines tels que les appareils de numérisation dans les magasins, aéroports ou dans bien d'autres domaines avant de passer aux voitures autonomes et aux équipementiers automobiles.
« Cela semble être une solution perturbatrice qui pourrait faire une grande différence dans cet énorme, secteur émergent, " a déclaré Shalaev.
