Controlador de luz programável abre caminho para telas holográficas 3D

Com informações do MIT - 23/01/2023

O modulador espacial de luz manipula a luz na escala de comprimento de onda com uma resposta ordens de grandeza mais rápida do que os dispositivos existentes.
[Imagem: Sampson Wilcox]

Hologramas 3D

Em uma cena clássica de Guerra nas Estrelas (Episódio IV - Uma Nova Esperança), R2D2 projeta um holograma tridimensional da Princesa Leia fazendo um pedido desesperado de ajuda. Essa cena, filmada há mais de 45 anos, dependeu da magia do cinema e, mesmo hoje, não temos tecnologia para criar hologramas 3D tão realistas e dinâmicos.

A geração de um holograma 3D autônomo exigiria um controle extremamente preciso e rápido da luz, muito além das capacidades das tecnologias existentes, baseadas em cristais líquidos ou microespelhos.

Mas tem gente trabalhando nisso, e um grupo internacional de pesquisadores passou mais de quatro anos lidando com esse problema de formação de feixes ópticos em alta velocidade.

O resultado desse trabalho, apresentado agora, é um dispositivo sem fio, programável, capaz de controlar a luz - como focalizar um feixe em uma direção específica ou manipular a intensidade da luz - e fazer isso ordens de magnitude mais rapidamente do que qualquer coisa feita até agora.

Isso exigiu desenvolver um processo de fabricação que garante que a qualidade do dispositivo permaneça quase perfeita quando ele é fabricado em escala, abrindo caminho para seu uso em aplicações do mundo real.

Usos das imagens 3D

Conhecido como um modulador espacial de luz (SLM - spatial light modulator), o dispositivo pode ser usado para criar radares de luz (lidar) super-rápidos para carros autônomos, sensores capazes de gerar imagens de uma cena cerca de um milhão de vezes mais rápido que os sistemas mecânicos dos carros mais modernos.

O aparelho também permitirá acelerar os aparelhos de escaneamento cerebral, que usam a luz para ver através do tecido. Ao serem capazes de obter imagens dos tecidos mais rapidamente, esses futuros escâneres médicos poderão gerar imagens de alta resolução que não serão afetadas pelo ruído das flutuações dinâmicas dos tecidos vivos, como o sangue fluindo.

Além, é claro, de trazer para mais perto da realidade os hologramas e as telas verdadeiramente 3D, como nos filmes de ficção.

"Nós estamos nos concentrando no controle da luz, que tem sido um tema de pesquisa recorrente desde a antiguidade. Nosso desenvolvimento é outro grande passo em direção ao objetivo final de controle óptico completo - tanto no espaço quanto no tempo - para as inúmeras aplicações que usam a luz," disse Christopher Panuski, do MIT.

Esquema e micrografia do protótipo.
[Imagem: Christopher L. Panuski et al. - 10.1038/s41566-022-01086-9]

Manipulando a luz

Um modulador espacial de luz é um dispositivo que manipula a luz controlando as propriedades de sua emissão. Semelhante a um retroprojetor ou uma tela de computador, ele manipula um feixe de luz que o atravessa, focalizando-o em uma direção ou outra ou refratando-o em vários locais para a formação de uma imagem - sim, é possível manipular a luz sem qualquer peça móvel.

A manipulação propriamente dita é feita por uma matriz bidimensional de atuadores. Acontece que os comprimentos de onda da luz são muito pequenos, na faixa de algumas centenas de nanômetros, o que exige uma matriz extremamente densa de controladores em nanoescala e que operem em velocidade muito alta. Para obter tudo isso, os pesquisadores usaram uma série de microcavidades de cristais fotônicos, pequenas superfícies de estado sólido, fabricadas com a mesma tecnologia dos chips, que permitem que a luz seja armazenada, manipulada e emitida de forma controlada na escala de comprimento de onda.

Quando a luz entra em uma dessas cavidades, ela é mantida por cerca de um nanossegundo, saltando mais de 100.000 vezes antes de escapar. Embora um nanossegundo seja apenas um bilionésimo de segundo, isso é tempo suficiente para o dispositivo manipular a luz com precisão. Por exemplo, variando-se a refletividade de uma cavidade, pode-se controlar como a luz escapa. O controle simultâneo da matriz modula todo um campo de luz, tornando possível direcionar um feixe de luz com rapidez e precisão.

"Um aspecto inovador do nosso dispositivo é o projeto do padrão de radiação. Queremos que a luz refletida de cada cavidade seja um feixe focalizado porque isso melhora o desempenho do direcionamento do feixe do dispositivo final. Nosso processo essencialmente cria uma antena óptica ideal," disse Panuski.

Para atingir esse objetivo, a equipe desenvolveu um novo algoritmo para projetar cristais fotônicos para desempenhar tarefas específicas, como transformar a luz em um feixe mais estreito à medida que ela escapa de cada cavidade.

Usando a luz para controlar a luz

Outra novidade foi o uso de uma tela de microLEDs para controlar o modulador de luz. Os píxeis de LED se alinham com os cristais fotônicos no chip de silício, de modo que cada LED controla uma única microcavidade. Quando um laser atinge essa microcavidade ativada, a cavidade responde de maneira diferente ao laser com base na luz do LED.

O uso de LEDs para controlar o modulador significa que a matriz não é apenas programável e reconfigurável, mas é também totalmente controlável sem fios.

"É um processo de controle totalmente óptico. Sem fios metálicos, nós podemos colocar os componentes mais próximos uns dos outros sem nos preocuparmos com perdas por absorção," destacou Panuski.

O protótipo alcançou um controle quase perfeito - tanto no espaço quanto no tempo - de um campo óptico com uma "largura de banda espaço-temporal" conjunta 10 vezes maior que a dos moduladores existentes.

Essa possibilidade de controlar com precisão uma enorme largura de banda de luz também abre caminho para a criação de aparelhos capazes de transportar grandes quantidades de informações com extrema rapidez, como sistemas de comunicação de alto desempenho.

Agora que aperfeiçoaram o processo de fabricação, os pesquisadores estão trabalhando para criar protótipos maiores para controle quântico, sensoriamento e detecção e geração ultrarrápida de imagens.

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