Sirumittakaavan LiDAR: Pienempi ja halvempi LiNbO3-pockels-laserin avulla

Kuinka tarkkuuslaserit tukevat nykyaikaista LiDARia

Laserit ovat aliarvostettu perustavanlaatuinen teknologia, joka tukee nykymaailmaa. Niitä käytetään puolijohdevalmistuksessa, valokuitutietoliikenteessä, kaiverruksessa ja painatuksessa, optisissa levyissä, kirurgiassa, mittauksessa, sotilasjärjestelmissä, ilmailussa ja muussa.

Yksi lasereiden viimeaikainen valtava sovellus on LiDAR (Light Detection and Ranging) eli "lasertutka", menetelmä, jossa laserin avulla voidaan havaita etäisyys kohteesta erittäin tarkasti.

Lähes kaikki itseohjautuvat yritykset käyttävät LiDAR-laitteita autonomisten ajoneuvojensa voimanlähteenä, ja ne muodostavat suuria laitteita itseohjautuvien autojen päälle.

Lähde: SFGate

LiDARin ongelmana on sen kookkuus ja kalleus, mikä tekee massakäytöstä kannattamatonta. Se on myös erittäin hauras, mikä lisää pitkän aikavälin kustannuksia entisestään.

Tämä on saattanut juuri muuttua Rochesterin yliopiston (USA) ja Kalifornian yliopiston (USA) tutkijoiden uuden lasersuunnittelun ansiosta. Se poikkesi tavanomaisesta piifotoniikasta ja käytti sen sijaan litiumniobaattia.

He julkaisivat löytönsä Light Science & Applications -lehdessä.¹, otsikon alla "Pockels-laser ohjaa suoraan ultrasnopeaa optista mittaustekniikkaa".

LiDARin ymmärtäminen: periaatteet ja tekniikat

LiDAR-etäisyysmittauksen perusteet

LiDARin perusperiaate on samanlainen kuin tutkan toiminta: signaali lähetetään ja heijastuu takaisin kohteesta kohti lähdettä. Signaalin lähettämisen ja sen takaisin heijastumisen välinen aika kertoo etäisyyden.

Ero on siinä, että LiDAR-tutkat käyttävät näkymättömiä infrapuna- tai joskus ultraviolettisäteitä radioaaltojen sijaan (”R” sanassa RADAR – RAdio Detsaus And Roli huolissaan)

Lähde: tiivistelmä

Koska valo on erittäin nopeaa, LiDAR-järjestelmät tarvitsevat erittäin tarkkaa laseraaltojen ohjausta, mikä johtaa järjestelmän suureen monimutkaisuuteen, kustannuksiin ja haurauteen.

Pockels-ilmiö: Ultranopean laservirityksen mahdollistaminen

Tutkijat ovat pyrkineet parantamaan LiDAR-teknologiaa hyödyntämällä Pockels-ilmiötä. Tämä ilmiö muuttaa joidenkin materiaalien taitekerrointa (tapaa, jolla ne taittavat valoa), kun sähkökenttä on aktiivinen.

Pockelsin ilmiö näkyy erityisissä kiteissä, kuten monokaliumfosfaatissa tai tässä tutkimuksessa käytetyssä litiumniobaatissa, joka on litiumista, niobiumista ja hapesta valmistettu synteettinen suola.

Lähde: Sumimoto

Se mahdollisti tutkijoiden luoda laserin, joka pystyi muuttamaan väriään erittäin tarkasti laajalla valonspektrillä erittäin nopeasti – noin 10 kvintiljoonaa kertaa sekunnissa.

Litiumniobaatin yleinen käyttökohde on älypuhelimien ja muiden elektronisten laitteiden pinta-akustisten aaltojen (SAW) luominen suodattimien luomiseksi kohinan ja häiriöiden estämiseksi, joten tämä teknologia voi hyödyntää olemassa olevaa toimitusketjua.

Sirumittakaavan Pockels-liDAR-laserin rakentaminen

Ohutkalvoinen litiumniobaatti: Nanometrin mittakaavan suunnittelu

Tutkijat käyttivät ohutkalvokerrosta litiumniobaattia, joka oli kerrostettu piidioksidista ja piistä koostuvalle alustalle ja suojattu piioksidikerroksella.

Lähde: Valotiede ja sovellukset

Sitten he testasivat piisuojakerroksen variaatioita ja löysivät optimaalisen paksuuden, joka voi tuottaa hallittavimman taajuusalueen.

Lähde: Valotiede ja sovellukset

Tuloksena oli tietokonesirun kokoinen miniatyyrilaser, jonka parametrit olivat erittäin hallittavissa LiDAR-sovelluksiin.

”Se on erittäin tärkeä prosessi, jota voidaan käyttää optisten kellojen kanssa, jotka pystyvät mittaamaan aikaa äärimmäisen tarkasti, mutta siihen tarvitaan paljon laitteita. Tyypillinen kokoonpano saattaa vaatia pöytätietokoneen kokoisia instrumentteja, kuten luonnollisen laserin, isolaattorin, akustisen optisen modulaattorin ja vaihemodulaattorin.”

Laserimme voi integroida kaikki nämä asiat hyvin pieneen siruun, jota voidaan virittää sähköisesti.

Shixin Xue - Shixin Xue, tohtoriopiskelija Rochesterin yliopistossa 

Suorituskykymittarit: Taajuus-Chirp ja nopeusmittari

Mitattaessa siru osoitti suorituskykyä, joka ylitti selvästi kaikki olemassa olevat laserit.

Merkillepantavaa on, että se saavutti jopa 20 EHz/s "taajuussirppunopeuden" ja yli 10 GHz:n modulaatiokaistanleveyden. Vertailun vuoksi nämä luvut ovat suuruusluokkaa suurempia kuin olemassa olevien lasereiden luvut.

Lasersiru kykeni saavuttamaan 40 m/s nopeuden lyhyellä 0.4 metrin matkalla, ja visuaalinen resoluutio oli <2 cm. On jopa mahdollista, että nopeuden mittaus voisi olla yli 40 m/s, mutta kokeellinen järjestely ei mahdollistanut nopeampia testejä.

Nämä lyhyen kantaman suorituskyvyt ovat tärkeitä, koska perinteisillä LiDAR-järjestelmillä on lähes aina vaikeuksia havaita niitä nopeasti liikkuvia kohteita. Tämä on myös suuri ongelma itseohjautuvalle teknologialle, jonka on ehdottomasti nähtävä lähellä olevat ja nopeasti liikkuvat kohteet hyvin.

Lähde: Valotiede ja sovellukset

Miksi miniatyrisoitu LiDAR on tärkeä: Hyödyt ja käyttötapaukset

Tähän asti lasertaajuussäädön kehitys on jäänyt suhteellisen rajalliseksi. Tämä on luonut vakavia rajoituksia lasermittausten käytännön käytölle näiden järjestelmien koon, painon ja tehonkulutuksen vuoksi.

Itseohjautuvat autot ja muut autonomiset ajoneuvot (kuten droonit) ja laitteet (robotit) ovat siis ensimmäiset ilmeiset mahdollisuudet tälle teknologialle. Alaa on jarruttanut kaksi ongelmaa: tekoälyn löytäminen riittävän älykkääksi ajamaan autoja turvallisesti sekä LiDAR-teknologioiden hinta ja koko, jotta tekoäly saisi tarkan kuvan ympäristöstään. Litiumniobaattifotoniikka voisi ratkaista toisen ongelman juuri ajoissa, kun tekoälyistä on tulossa riittävän hyviä tähän tehtävään.

Tämä ei ole ainoa ultratarkkojen lasermittausten sovellus. Edistyksellinen valmistus käyttää myös LiDARia jatkuviin mittauksiin ja kalibrointeihin. Myös tietoliikenne, kvanttiviestintä, mikroaaltojen tuotanto ja anturit voisivat hyötyä taskukokoisista, edullisista ja vähän energiaa kuluttavista lasermittauksista.

Tutkijat käyttävät lasereita jopa gravitaatioaaltojen mittaamiseen, pimeän aineen havainnointiin ja muihin edistyneisiin fysiikan laskelmiin. Erittäin tarkat nopeusmittarit (nopeuden mittaus) voisivat myös olla tärkeitä paremman inertiaalisen koossapitoon perustuvan ydinfuusion kehittämisessä, joten ne voisivat auttaa myös yleistä tieteellistä kehitystä.

Investointi laserteknologiaan

Lasereita on läsnä lukemattomissa modernin tekniikan osissa optisista levyistä leikkaustyökaluihin, 3D-tulostukseen, puolijohteisiin, valmistukseen ja genomisekvenssiohjaimiin, 17.8 miljardin dollarin markkinoiden odotetaan kasvavan 7.8 % CAGR vuoteen 2030 asti.

Voit sijoittaa laseriin liittyviin yrityksiin monien välittäjien kautta, ja löydät täältä, osoitteessa arvopaperit.io, suosituksemme parhaille välittäjille USA: ssa, Kanada, Australia, UK, samoin kuin monissa muissa maissa.

Jos et ole kiinnostunut valitsemaan tiettyjä yrityksiä, voit myös tutkia teknologia-ETF:itä, kuten iShares US Technology ETF (IYW) or  ProShares Nanotechnology ETF (TINY) vaikka käytettävissä ei olekaan erillistä laserille tarkoitettua ETF:ää, joka tarjoaa monipuolisemman altistuksen nanoteknologian ja teknologian osakkeiden hyödyntämiseen.

Suurimmat julkiset laser- ja fotoniikkayritykset

Yhtenäinen (II-VI Marlow): Laser-innovaation johtaja

Coherent on suuri teollisuusyritys, jolla on yli 26,000 XNUMX työntekijää ja joka on laserteknologian johtaja. Se syntyi edistyksellisiä materiaaleja valmistavan Marlow'n ja laservalmistaja Coherentin fuusioitumisesta.

Yritys on asiantuntija lasereissa, optiikassa ja fotoniikassa käytettävissä edistyneissä materiaaleissa, kuten indiumfosfidissa, epitaksiaalisissa kiekoissa ja galliumarsenidissa.

Se kasvoi pääosin useiden viimeisen vuosikymmenen aikana tehtyjen yritysostojen ansiosta, 600 miljoonan dollarin liikevaihdosta vuonna 2013 4.7 miljardiin dollariin vuonna 2024.

Yhtiö saa 29 % tuloistaan ​​suoraan lasereista, ja loput liittyvät niihin liittyviin laitteisiin, kuten optiseen kuituun ja elektroniikkaan. Instrumentointikategoriaan kuuluvat pääasiassa biotieteet ja lääketieteelliset sovellukset.

Lähde: johdonmukainen

Yrityksen läsnäolo kehittyneissä materiaaleissa, kuten lämpösähköissä (joka keskustelimme edellisessä artikkelissa), piikarbidi, laserit ja elektroniikka auttavat sitä hyötymään rakenteellisista trendeistä, kuten tarkkuusvalmistuksen, lisäainevalmistuksen (3D-tulostus), sähköistyksen ja uusiutuvien energialähteiden kasvusta.

Yhtiöllä on eriytti hiljattain piikarbidiliiketoimintansa uudeksi yksiköksi, josta Coherent omistaa 75 prosenttia., ja loput omistavat tasan sen kumppanit Mitsubishi Electric (tuo markkinoille piikarbidipohjaisia ​​teho-osia) ja Denso (tuo markkinoille toimintansa autoteollisuuden sähköistämis- ja tehopuolijohdetoimittajana).

Tämä johtuu siitä, että piikarbidi on yhä enemmän omaa tekniikkaansa, jota käytetään enimmäkseen suuritehoisissa sovelluksissa, kuten sähköautoissa, akuissa ja uusiutuvassa energiassa.

Coherent on johtaja LIDAR- ja 3D-digitaalitunnistuksessa, mukaan lukien itseohjautuvat sovellukset, biotekniikka Seuraavan sukupolven sekvensointi (NGS) virtaussolutja laserit puolijohteiden valmistukseenSe odottaa päämarkkinoidensa kasvavan 8–20 prosenttia.

Lähde: johdonmukainen

Lasereiden muut mahdolliset uudet sovellukset, kuten suoran energian aseet, fotonilaskenta, ydinfuusio ja avaruustekniikka, voivat kaikki yhtä hyvin auttaa ylläpitämään yrityksen pitkän aikavälin kasvua.

Kaiken kaikkiaan Coherent on niin lähellä kuin mahdollista alasta kiinnostuneille sijoittajille suunnattua "puhdasta peliä" julkisesti noteerattua laseryhtiötä, jolla on vahva vertikaalinen integraatio ja yli 3,100 XNUMX patenttia, jotka suojaavat sen innovaatioita.

Coherent tuottaa jo myös litiumniobaattikiekkoja mittakaavassa., mikä tekee siitä yhden parhaassa asemassa olevista yrityksistä tuomaan tässä artikkelissa käsitellyn innovaation kaupalliseen vaiheeseen.

Viimeisimmät Coherentin (COHR) osakeuutiset ja kehitys

Viitattu tutkimus

^{1. Xue, S., Li, M., Lopez-rios, R., ym. Pockelsin laser ohjaa suoraan ultranopeaa optista metrologiaa. Light Sci Appl 14, 209 (2025). https://doi.org/10.1038/s41377-025-01872-4}