2015年9月4日

此自掃式激光器連接到一個與高對比度光柵（HCG）鏡面機(jī)械運(yùn)動的光場中。HCG鏡面由連接到半導(dǎo)體材料層面板的機(jī)械彈簧支持。紅色層代表激光增加（對于光線放大率而言），藍(lán)色層形成此系統(tǒng)的第二個鏡像。光束力量導(dǎo)致頂層鏡面高速振動。在掃描中，此振動使得激光自動改變顏色。

圖片提供：Weijian Yang。

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　　利用光束移動鏡面的新途徑可能引領(lǐng)新一代激光技術(shù)的廣泛應(yīng)用，包括遙感、無人駕駛汽車導(dǎo)航和三維生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域。

　　由電子工程和計算機(jī)科學(xué)教授Connie.Chang-Hasnain牽頭的加州伯克利大學(xué)工程師團(tuán)隊使用一個新奇的概念即在掃描周邊地形的時候，自動操作光源改變波長的方法。他們的研究成果于9月3日（周四）在《科學(xué)報告》期刊上發(fā)表。

　　新進(jìn)展可能對使用激光雷達(dá)（LIDAR）成像技術(shù)，或稱光束探測、測距修正和光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)（OCT）產(chǎn)生影響。

　　加州伯克利大學(xué)納米級科學(xué)和工程研究生小組主任Chang-Hasnain指出，他們的論文描述了一個能大幅度減少當(dāng)今市場上LIDAR和OCT設(shè)備電力消耗、體積、重量和成本的快速自掃式激光器。此研究進(jìn)展可以把目前占用一個鞋盒空間大小的空間的儀器精縮到，其重量減輕至適用于智能手機(jī)或小型無人駕駛機(jī)（UAV）。

　　LIDAR的原理是用一束光來照射目標(biāo)，需要測量反彈的時間量。由于光速是恒定的，所以這個系統(tǒng)也能夠用來計算距離。無人駕駛汽車和遙感技術(shù)使用LIDAR進(jìn)行導(dǎo)航和三維制圖。

　　OCT運(yùn)用同一測量原理適應(yīng)于毫米級醫(yī)學(xué)成像。此技術(shù)被用于制作視網(wǎng)膜橫斷面圖像，對視網(wǎng)膜疾病早期監(jiān)測提供幫助，包括與年齡相關(guān)的斑點(diǎn)惡化癥狀。

　　光移動鏡面

　　激光在這兩個應(yīng)用中移動，它必須不斷變化頻率，使其能夠計算入射光、反射光和出射光線之間的差異值。為了改變此頻率，激光腔兩個鏡面中的至少一個必須精準(zhǔn)地移動。

　　加州伯克利大學(xué)電子工程和計算機(jī)科學(xué)專業(yè)的博士研究生、參與本項工作以及此研究論文的主要作者Weijian.Yang提到，控制鏡面需要的機(jī)理是造成現(xiàn)有LIDAR和OCT系統(tǒng)笨重、耗電高、運(yùn)行慢和復(fù)雜問題一部分原因。例如，無人駕駛汽車必須避免碰撞——系統(tǒng)必須盡快反應(yīng)——這就需要更多的電力消耗。

　　此設(shè)計的新穎之處在于對半導(dǎo)體激光與鏡面進(jìn)行集成。每束光可以小到幾百微米見方，它很容易由一節(jié)AA電池供電。

　　具有超薄、高對比度光柵（HCG）鏡面的耦合激光使得研究人員利用光物理力移動鏡面。Chang-Hasnain.實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的HCG鏡面由成排的小脊組成并在近期用于制作人造、變色龍式皮膚。平均幾納米牛頓的力，大約一只螞蟻千分之一的重量，此光產(chǎn)生足夠能量致使鏡面振動。

　　“像小孩蕩秋千一樣”

　　目前在哥倫比亞大學(xué)做生物科學(xué)博士后的Yang指出，光就像一個孩子在蕩秋千而這鏡面本身就像秋千。如果孩子在搖擺路徑上正確移動他的身體，他能夠享受這種沒有外力的“自由”擺動。這是自掃式激光器上所發(fā)生的事情。

　　在他們的實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)激光與鏡面間光力學(xué)相互作用能夠在不需要外部控制下對超過23納米波長范圍的紅外光譜范圍進(jìn)行掃描。

　　Chang-Hasnain.研究小組此論文聯(lián)合作者博士生Adair.Gerke指出，這一波長范圍足夠使系統(tǒng)可以解決50測微計表面輪廓特征，即使目標(biāo)在幾十米之外。

　　此外，掃描循環(huán)周期可以短至數(shù)百納秒，能夠?qū)崿F(xiàn)每秒幾百萬次掃描。此掃描速率使得三維圖像捕捉實(shí)時視頻和深度變化的可視化圖像。

　　此研究作者闡明，研究的下一階段將在現(xiàn)有LIDAR或OCT系統(tǒng)中整合這一新激光器設(shè)計并展示其在三維視頻成像中的應(yīng)用。

　　原文題目：Self-sweeping.laser.could.dramatically.shrink.3-D.mapping.systems

　　資料來源：http://www.rdmag.com/news/2015/09/self-sweeping-laser-could-shrink-3-d-mapping-systems

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