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iPMSEL在工业领域的应用前景

来源:荣格-《国际工业激光商情》 发布时间:2022-01-14 728
工业金属加工工业激光激光设备零部件光学材料与元件其他 应用及案例
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近年来,激光雷达(LiDAR)技术在防撞、测绘、3D测量等领域备受关注。

2021年滨松光电开发了一种只有芯片大小的光源,可以通过控制光的空间相位发射任意光束模式,并将此设备命名为iPMSEL®(可集成相位调制表面发射激光器,美国商标注册号 5410112)。


近年来,激光雷达(LiDAR)技术在防撞、测绘、3D测量等领域备受关注。LiDAR需要可以扫描光束模式的光源。为此,合适的光源应满足体积小、缺少机械移动结构、光束模式的电气控制等条件。


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因为可用空间受到严重限制(图 1),所以光源的尺寸和重量对无人机尤为重要。小型光束扫描光源在胶囊内窥镜(图2)和自然3D显示(图3)等其他领域,具有应用可能性。

静态iPMSEL


在其中的一个静态iPMSEL设备演示中,滨松光电成功实现了发射任意静态的光束模式。如图4所示,它可以从针头大小的芯片发射出指定的任意光束模式。尽管光束模式是静态的,但该技术的潜在应用包括3D测量和指示,例如平视显示器。

QQ截图20220114135541.jpg

作为3D测量的一个例子,可以通过将多点、条纹和网格图案等光束图案投影到物体上然后拍照,并根据投影光束图案的畸变计算位置来测量3D形状(图5左)。如果将光源小型化为针状芯片,那么便携式3D测量系统将成为可能(图5右)。

QQ截图20220114135557.jpg

此外,滨松光电还展示了超过1万点的大规模多点光束图案,这对3D测量很有用(图6)。3D测量系统对手机中的面部识别和3D建模有很高的需求。因此,静态iPMSEL可用于这些目的。除了开发静态iPMSEL和阵列iPMSEL设备(其中投射或切换静态光束模式)之外,滨松光电还开发了动态iPMSEL设备,芯片将动态地发射和控制任意波束模式。

静态iPMSEL的特点


与传统技术(DOE和VCSEL的组合)相比,静态iPMSEL的示意图如图7。由于静态iPMSEL的尺寸小一个数量级,两个数量级的更密集集成是可行的,使得在大两个数量级的图案数量之间进行切换。需要注意的是,由于尺寸小,光束发散角会增加。同时,静态iPMSEL中没有显示垂直点噪声光束,因此它们适合密集集成。

静态iPMSEL结构与工作原理


静态iPMSEL示意图如图8所示。与普通半导体激光器类似,静态iPMSEL由包层组成,包层将电子和空穴包裹其中,通过基材的辐射重组生成光束。与普通激光二极管相比,在有源层附近形成了亚微米级孔排列的新型相位调制层。

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如图8中相位调制层的俯视SEM图像所示,乍一看似乎有周期性排列的孔洞。然而,孔从方形点阵的周期性点阵点稍微偏移。实际上,孔的重心在其中心对应于方形点阵的点阵点的圆上旋转移位。根据目标光束图案,使用计算机生成的全息图技术确定每个孔的位置偏移。


当电流注入器件时,由于辐射复合,在有源层产生光波并向各个方向发射。这些光波的一部分耦合到有源层附近的相位调制层。


如图9左上显示,当来自左侧的光波入射到周期性孔中时,光波在每个孔处呈球形散射。从每个孔散射的波在图9中的四个方向(即上、下、左、右)相长干涉,在物理上称为“衍射”。四个衍射光波在传播时,也向相同的四个方向衍射,相互耦合,扩散到整个区域。


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反向传播波的耦合会产生不向任何方向传播并在固定位置振荡的驻波。因此,在相位调制层中形成二维驻波。由于驻波,相位调制层充当激光器的谐振腔。


如图10(a)所示,当孔的周期等于光波长时,四个面内衍射波也沿垂直方向衍射,平面波沿垂直方向发射。由于平面波是从扩展到数百微米的广阔区域发出的,因此会产生光束发散角小于1°的窄点光束。
由于孔的位置偏移很小,因此在改变输出光束模式的同时仍会形成二维驻波。图10(b)显示了从相位调制层衍射的输出光束图案的示意图。基于现有的成熟全息技术,滨松光电可以设计任意目标光束模式的“空间相位调制”。总之,相位调制层形成二维驻波,同时充当激光器谐振腔和输出光束图案的“空间相位调制”。因此,静态iPMSEL设备可以从针尖大小的芯片发射任意光束模式。

未来应用
◆自然3D显示
从3D物体发出的光线可以通过像素阵列再现,可以任意控制光束模式。这种机制广泛用于“光场显示”。为此,动态iPMSEL将来可以用作3D显示的像素。当自然3D显示器被开发并广泛传播时,它将为相距遥远的家人和朋友之间进行生动交流提供可能,成为一种全新的交流工具。
◆LiDAR
LiDAR技术应用于汽车防碰撞、测量和3D测量。普通LiDAR系统配备了机械光束扫描单元,使得系统尺寸变大。开发芯片级的电子束扫描系统将显著降低系统尺寸和重量。此类光源将成为无人机中的关键设备,例如在总重量和可用空间有限的情况下,相信iPMSEL将非常适合此类应用。
◆ 胶囊内窥镜中的激光手术刀
涉及内窥镜的医学检查过程,往往让患者十分痛苦。然而,胶囊内窥镜可以减轻诊断检查过程中的插入疼痛。事实上,如果胶囊内窥镜配备可以任意控制光束模式的激光手术刀,就可以在体内同时诊断和治疗患处。
◆3D测量
3D形状可以通过以下简单的步骤进行测量。将多点、条纹和网状图案等光束图案投射到物体上并拍照,然后根据光束图案的畸变计算出3D形状。
◆ 指示
静态iPMSEL器件发射字符甚至灰度光束模式,如图4所示。此外,光束模式可以从芯片级设备切换。因此,它们可以应用于光束图案数量有限的小型平视显示器,或者用于指示多种标记的芯片级指示装置。


来源:荣格-《国际工业激光商情》


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