Cristal fotônico move a luz do laser sem mover o laser

Redação do Site Inovação Tecnológica - 24/11/2020

Cada antena da matriz permite guiar o laser em uma direção diferente - sem que nada se mova.
[Imagem: Ryoichi Sakata et al. - 10.1038/s41467-020-17092-w]

Escâner a laser

Engenheiros da Universidade de Quioto, no Japão desenvolveram uma forma inovadora para guiar a luz usando cristais fotônicos, eliminando o uso de espelhos movidos mecanicamente.

A equipe descobriu que ajustar a forma e a posição dos elementos que formam o cristal fotônico permite que o feixe de laser seja emitido em cada direção desejada, viabilizando uma nova tecnologia de escâner de feixe multidirecional e miniaturizado.

Para calcular a importância disso, lembre-se dos leitores de código de barras no supermercado, das câmeras dos celulares e dos mais recentes detectores LIDAR - ou "radar de luz" - que estão sendo usados nos carros autônomos e nos robôs; todos são exemplos do uso de escâneres a laser.

Movendo a luz sem espelhos

A tecnologia atual reflete os feixes de laser em espelhos que se movem, um método mecânico que resulta em velocidades de varredura mais lentas e imprecisões, sem mencionar o grande tamanho físico e a complexidade dos dispositivos que abrigam um laser e seus espelhos.

O novo dispositivo de varredura utiliza "cristais fotônicos", eliminando a necessidade de peças móveis - cristais fotônicos são formados por pequenas partículas que funcionam como antenas, dispostas em um padrão repetitivo, uma periodicidade que faz com que o material interfira com a luz de uma forma previsível.

Só que, em vez de organizar os pontos da rede dos cristais em uma matriz ordenada, os pesquisadores descobriram que variar suas formas e posições faz com que o feixe de laser seja emitido em direções únicas, precisamente calculadas.

"O resultado é uma rede de cristais fotônicos que parece uma fatia de queijo suíço, onde cada cristal é calculado para emitir o feixe em uma direção específica," explica o professor Susumu Noda. "Eliminando os espelhos mecânicos, criamos um dispositivo de varredura de feixe mais rápido e confiável."

Estrutura de uma das antenas (em cima) e foto do protótipo, com resolução 10 x 10, capaz de enviar a luz para 100 direções diferentes.
[Imagem: Kyoto University/Noda Lab]

Laser de cristal fotônico

Os lasers de cristal fotônico são um tipo de laser semicondutor cujos pontos de rede podem ser considerados antenas em nanoescala, que podem ser dispostas para fazer com que um feixe de laser seja emitido perpendicularmente da superfície. Até agora, só era possível fazer o feixe sair em uma única direção em um plano bidimensional.

"Eventualmente, descobrimos que o ajuste da posição e do tamanho [das antenas] resultou em um cristal fotônico aparentemente aleatório, produzindo um feixe preciso sem perda de potência. Chamamos isso de 'cristal fotônico duplamente modulado'," disse Noda.

Organizando esses cristais - cada um projetado para emitir um feixe em uma direção única - em uma matriz, a equipe foi capaz de construir um escâner de feixe compacto e bidimensional, sem a necessidade de peças mecânicas.

Eles construíram um protótipo que gera feixes em 100 direções diferentes - uma resolução de 10x10 - mas estimam que podem fazer a resolução aumentar por um fator de 900, atingindo uma resolução de 300x300.

"No início, houve um grande interesse em saber se uma estrutura aparentemente tão aleatória poderia realmente funcionar," conclui Noda. "Agora acreditamos que seremos capazes de desenvolver um sistema LiDAR pequeno o suficiente para caber na ponta de um dedo."

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