Чип вместо шкафа: как новый лазер видит мельчайшие детали на скорости
Учёные из Рочестерского университета и Калифорнийского университета в Санта—Барбаре представили лазер размером с монету, который может серьёзно изменить технологии автономного транспорта. Разработка описана в журнале Light: Science & Applications.
Миниатюрный лазер для лидаров
Новый лазер создан для совершенствования оптической метрологии — метода измерений с использованием света. Он способен собирать большие объёмы данных об объектах с высокой скоростью и точностью, что особенно важно для лидаров — систем лазерного сканирования, применяемых в беспилотных автомобилях.
Лидары отражают свет от объектов вокруг машины, позволяя определить их форму, расстояние и скорость. Однако современные системы остаются громоздкими и сложными. Новый лазер работает по принципу частотно—модулированного непрерывного волнового лидара, который требует быстрой перестройки частоты — именно эту задачу устройство решает значительно эффективнее.
"Наш лазер может выполнять быструю перестройку частоты и обеспечивать широкий диапазон настройки", — отметил докторант Шисинь Сюэ ведущий автор исследования.
Проверка на скорости
Чтобы показать возможности устройства, команда использовала лазер для выделения букв "U" и "R", составленных из кубиков Lego на вращающемся диске. Эксперимент подтвердил способность системы отслеживать мельчайшие детали на быстро движущихся объектах — важный навык для беспилотников.
Лазер способен испускать до 20 квинтиллионов импульсов в секунду и точно измерять объекты, движущиеся со скоростью до 40 м/с на расстоянии 40 см. При этом он показал стабильную работу в течение 60 минут.
Уменьшение габаритов
Ключевая инновация — миниатюризация сложного процесса под названием частотная синхронизация Паунда—Древера—Холла (PDH), который снижает шум и стабилизирует лазер. Раньше для этого требовалось оборудование размером с настольный компьютер, включавшее несколько отдельных модулей. Теперь весь комплекс помещается в один маленький чип, управляемый электричеством.
Потенциал применения
Благодаря компактности и энергоэффективности лазер может заменить громоздкие лидарные установки на крыше автомобилей (например, в машинах Waymo), улучшив аэродинамику и снизив энергозатраты. Это открывает перспективы для автономных летательных аппаратов, где каждый грамм и ватт энергии имеют значение.
Помимо транспорта, миниатюрный лазер может применяться в квантовых вычислениях, оптических часах и даже в обнаружении гравитационных волн.
Исследование частично финансировалось DARPA в рамках программы LUMOS, направленной на развитие фотоники и создание новых поколений оптических систем.
