Scanlasers - van barcodescanners in de supermarkt tot camera's op nieuwere smartphones - zijn een onmisbaar onderdeel van ons dagelijks leven, vertrouwen op lasers en detectoren voor uiterste precisie.

Afstands- en objectherkenning met behulp van LiDAR - een samentrekking van licht en radar - wordt steeds gebruikelijker:gereflecteerde laserstralen registreren de omgeving, het verstrekken van cruciale gegevens voor autonome auto's, landbouwmachines, en fabrieksrobots.

De huidige technologie weerkaatst de laserstralen van bewegende spiegels, een mechanische methode die resulteert in lagere scansnelheden en onnauwkeurigheden, om nog maar te zwijgen van de grote fysieke omvang en complexiteit van apparaten met een laser en spiegels.

Publiceren in Natuurcommunicatie , een onderzoeksteam van de Graduate School of Engineering van de Universiteit van Kyoto beschrijft een nieuw apparaat voor het scannen van bundels dat gebruikmaakt van 'fotonische kristallen', waardoor bewegende delen overbodig zijn.

In plaats van de roosterpunten van de kristallen in een ordelijke reeks te rangschikken, de onderzoekers ontdekten dat het variëren van de vormen en posities van de roosterpunten ervoor zorgde dat de laserstraal in unieke richtingen werd uitgezonden.

"Het resultaat is een rooster van fotonische kristallen dat eruitziet als een plak Zwitserse kaas, waarbij elk kristal wordt berekend om de straal in een specifieke richting uit te zenden, " legt Susumu Noda uit, die het team leidde.

"Door mechanische spiegels te elimineren, we hebben een sneller en betrouwbaarder apparaat voor het scannen van stralen gemaakt."

Fotonische kristallasers zijn een soort 'halfgeleiderlasers' waarvan de roosterpunten kunnen worden beschouwd als antennes op nanoschaal, die kan worden opgesteld om ervoor te zorgen dat een laserstraal loodrecht vanaf het oppervlak wordt uitgezonden. Maar aanvankelijk zou de straal slechts in één richting gaan op een tweedimensionaal vlak; het team had meer ruimte nodig om te bestrijken.

Het cyclisch rangschikken van de antenneposities resulteerde in een succesvolle richtingsverandering, maar een afname van het vermogen en een vervormde vorm maakten deze oplossing onhaalbaar.

"Het moduleren van de antenneposities zorgde ervoor dat licht dat door aangrenzende antennes werd uitgezonden, elkaar opheft, " vervolgt Noda, "waardoor we moesten proberen de antennegroottes te veranderen."

"Eventueel, we ontdekten dat het aanpassen van zowel positie als grootte resulteerde in een schijnbaar willekeurig fotonisch kristal, produceren van een nauwkeurige straal zonder vermogensverlies. We noemden dit een 'dubbel gemoduleerd fotonisch kristal'."

Door deze kristallen - elk ontworpen om een ​​straal in een unieke richting uit te zenden - in een matrix te organiseren, het team was in staat om een ​​compacte, schakelbaar, tweedimensionale bundelscanner zonder mechanische onderdelen.

De wetenschappers hebben met succes een scanner gebouwd die bundels in honderd verschillende richtingen kan genereren:een resolutie van 10×10. Dit is ook gecombineerd met een divergerende laserstraal, wat resulteert in een nieuw type LiDAR met verbeterde reikwijdte om objecten te detecteren.

Het team schat dat met verdere verfijningen, de resolutie zou met een factor 900 kunnen worden verhoogd:tot een resolutiebereik van 300×300.

"In het begin was er veel belangstelling voor de vraag of een schijnbaar zo willekeurig lijkende structuur echt zou kunnen werken, " concludeert Noda. "We geloven nu dat we uiteindelijk in staat zullen zijn om een ​​LiDAR-systeem te ontwikkelen dat klein genoeg is om op een vingertop vast te houden."