定向片上激光实现实时全息图技术可用于小型医疗设备

2022-12-22 17:13

3D全息图的应用是深远的，特别是在医疗技术领域。实时、动态的全息图被预测将缩短手术时间，提供更好的手术效果。动态三维全息图有可能取代目前的二维成像，如核磁共振扫描，使外科医生对病人的内部系统有更全面的实时了解，从而减少手术的侵入性，减少手术台上的意外情况。

3D全息图的广泛采用需要一种新型的小型化光学系统，这种系统可以集成在芯片上，功耗最小，可以将光束移动到自由空间，控制光束形状，并具有可调谐的波前。虽然现有的技术可以回答这些问题，但到目前为止，将它们组合成一个单一的系统难以实现。

TMOS是澳大利亚研究委员会卓越的超表面光学系统中心，该中心的研究人员使用超表面光学将垂直纳米线与由半导体纳米结构制成的微环激光器结合起来，使这项技术向现实迈进了一步。

垂直纳米线本身具有特殊的方向性，可以有效地形成激光束，但是它们的配置在激光过程中会导致显著的光子泄漏。光子反射基镜的地方也是纳米线与衬底连接的地方，这种连接使纳米线成为低效激光。

另一方面，在微环激光器中，大多数光子与衬底平行运动，从而减少了光子泄漏，能得到更高的激光效率，但是要控制光束的方向和形状是非常困难的。

TMOS的研究人员在世界上首次将InP微环激光腔与垂直InP纳米线天线结合在一起，该天线位于腔的中心，将光子引导到具有特定光束形状的自由空间，这是3D全息图所需的发展。微环和纳米线腔分别作为光源和天线，采用选择性面积外延技术同时生长。

这种设备的尺寸小于5μm，最终可以形成一个单一的全息图像素。这种耦合的有效性已经在实验室中得到了证明，详细信息发表在《激光与光子学评论》杂志上。

该研究的首席作者Wei Wen Wong说：“这是朝着低功耗、可调谐发射方向的片上微激光器前进的道路。这一新的发展消除了实现3D全息图的一个关键障碍。我们希望这种新颖的设备有一天能被集成到一个足够小、足够便宜的设备中，让医疗专业人员在前往偏远地区时可以塞进口袋，从而可以从现场手术台上投射全彩色动态全息图。”

TMOS首席研究员Hoe Tan说：“动态全息图的开发是我们中心的旗舰项目之一。来自五所参与大学的团队正在共同努力，使这一目标成为现实。我们研究的下一步是创建一个像素阵列，其中波前和光束形状可以单独控制并动态调整。”