Esther | 編輯
此前，曾報道過NVIDIA、三星、劍橋大學等對空間光調製器（SLM）全息方案的探索。空間光調製器可調節光波的空間分布，在電驅動信號控制下，可改變光在空間中傳播的振幅、強度、相位、偏振態等特性，從而形成全息影像。自動駕駛汽車的LiDAR傳感器也使用了空間光調製器來進行掃描，大腦掃描儀也使用它來穿透組織查看大腦，好處是成像解析度更高，且不受活體組織動態波動噪聲（血液流動）影響。
相比於現有的機械光學方案，空間光調製器對空間成像的速度約快一百萬倍。
近期，MIT也公布了一項SLM全息研究，這項新研究號稱可快速控制光束，速度超越以往的方案，這意味著3D顯示的延遲將大大降低。
MIT科研人員表示：生成獨立的3D全息圖（無需背板）需要能精確、快速的控制光，而這超出了液晶、微鏡等傳統顯示技術的能力。於是，該科研團隊經過四年多時間，解決了高速調節光線的問題，並且設計了一種可編程的無線化方案，該方案可將光線聚焦在特定方向，還可以操控光的強度，從而實現全息效果。號稱比商業設備要快幾個數量級。
此外，科研人員還為這個全息方案創建了配套的製造工藝，可保證大規模生產的質量。
SLM全息方案原理
科研人員表示：自古以來，如何控制光是一個反覆出現的研究課題，我們的SLM方案在空間和時間上都可以控制光，並且適用於多種場景，進一步推動了光學研究發展。
原理方面，由於SLM是一種通過控制光的發射特性來操縱光的裝置，它的光路與高射投影儀或電腦螢幕類似，都是將通過的光束轉變，使其聚焦在一個方向或將其折射到多個位置，形成全息圖像。
在SLM模組內部，使用了二維光調製器，用於控制光線傳播。光的波長只有幾百納米，因此需要高速、精準的控制，因此需要密集的納米級控制器陣列。於是，MIT科研人員採用了一系列光子晶體微腔/光子晶體諧振器，它們的特點是可以在波長範圍內儲存、操控和發射光。
當光束進入SLM空腔時，大約會停留一納秒，在這短暫的時間內會在內部反彈約10萬次以上。雖然納秒只有十億分之一秒，但這個時間足以讓設備精確地操縱光。通過改變空腔的反射率，研究人員可以控制光離開的路徑。如果同時操控整個控制器陣列，便可以調節整個光場，這樣就可以快速、準確的控制光束。
科研人員表示：這個設備的特殊之處在於，它採用了特殊設計的輻射模式，因此光線經過腔內反射後，都可以聚焦，從而提升整體光學性能。從本質上來看，這實際上是一種理想的光學天線。
為了實現這樣精密的設計，科研人員還開發了一種新的算法，用於設計光子晶體器件，這個器件的作用是確保從腔體逸出的光線都能匯聚成窄光束。
使用光來控制光
據了解，這項全息方案採用了Micro LED顯示屏（LED-on-CMOS）作為光源，而這個LED螢幕也能夠控制LED。LED像素與矽晶片上的光子晶體對齊，因此一個點亮的LED可調節單個微腔。當雷射擊中激活的微腔時，微腔根據LED發出的光對雷射做出不同的響應。
另一方面，使用LED控制意味著顯示陣列可編程，而且可重新配置，並且無線化設計。這相當於一種完全由光控制的過程，無需金屬線來傳輸信號，因此多個設備可以更加靠近，不用擔心互相之間吸收或干擾，也就是說，可擴展性好。
在批量製造方面，科研人員希望使用現有的集成電路製造工藝（300毫米晶圓），實現對全息方案的量產。而由於該方案採用微米級空腔，需要將製造誤差降低到最小，於是科研人員與美國空軍研究實驗室合作，開發了一種高精度的大規模製造工藝，可在12英寸的矽晶片上衝壓出數十億個空腔，然後通過後續處理步驟，來確保微腔在相同的波長下工作。
此外，還發明了一種基於機器視覺的全息修整新技術。這個修整過程，指的是研究人員將雷射照射到微腔上，原理是雷射將矽加熱到1000攝氏度以上，形成二氧化矽或玻璃。根據這一原理，研究人員創建了一個系統，可以同時用同一束雷射轟擊所有空腔，並添加一層玻璃，以完美對齊共振，實現空腔振動的自然頻率。
科研成果
這項技術在空間和時間上幾乎可以完美控制光場，其時空帶寬比現有的SLM技術要大10倍，而更大的帶寬和更精確的控制可以快速的傳輸大量資訊，將全息顯示與高性能通信系統結合。
接下來，科研人員計劃進一步擴大SLM全息設備的規模，並加入量子控制或超高速傳感和成像模組。
據悉，這項研究受到了美國多家基金會資助，包括赫茲基金會、NDSEG 獎學金計劃、施密特博士後獎、以色列 Vatat 獎學金、美國陸軍研究辦公室、美國空軍研究實驗室、英國工程和物理科學研究委員會、皇家工程學院等等。
參考：
https://news.mit.edu/2022/control-light-beam-holograms-1128
每天五分鐘，輕鬆了解前沿科技。
——
