原标题：京都大学成功研发利用光子晶体的新型光束扫描设备
江苏激光联盟导读：
从超市的条形码扫描仪到新型智能手机的摄像头，激光扫描仪是我们日常生活中不可或缺的一部分，它依靠激光仪和检测器来精确定位。然而当前的技术是将激光束从移动反射镜上反射出来，这是一种机械方法，会导致扫描速度降低和不准确，更不用说容纳激光和反射镜的设备的体积大和复杂性。
二维（2D）光束扫描是各种应用的必要技术，包括自动驾驶中的光检测和测距（LiDAR）系统以及机器人的智能移动性、对象识别系统和自适应照明。如今，大多数光束扫描方法都依赖于可操纵的机械组件，因此可靠性和稳定性差、操作速度低、设备尺寸大。为了解决这些缺陷，基于硅光子学的相控阵最近引起了人们的关注，特别是在LiDAR应用中。但是，最先进的全二维相控阵的视野狭窄，小于约5°，并且存在许多光栅波瓣。因此，大多数用于2D光束控制的相控阵结合了相控阵本身的两种机制和基于外部光源波长调谐（150-200 nm）的光栅衍射。在这里，我们注意到LiDAR15有两种方案：（a）飞行时间（ToF）方案和（b）涉及调频连续波（FMCW）方法的相干方案。在这两者之间，由于其简单性，ToF方案主要用于自动驾驶和机器人移动性。该方案需要高峰值输出功率（瓦特级甚至更高，取决于所需的距离范围）和固定的窄发射带宽，以便可以使用窄带通滤波器来去除太阳光的背景噪声，相控阵在用硅制成时其输出功率受到双光子吸收的限制，至多为几十毫瓦，并且/或者其波长带宽要求达到150-200 nm，很难满足这些要求。因此很难应用于ToF方案。相反，相干阵列主要用于相干FMCW方案，该方案不需要高输出功率，也不需要固定的窄发射波长，但是作为交换，它涉及更复杂的实现。如果可以实现一种适用于ToF方案的新的非机械式2D光束扫描方法，那就可以在感应领域为自动驾驶和机器人移动性提供更多选择，从而为Smart Society 5.0（由日本政府提出的未来社会，相当于中国的智慧城市）的发展做出贡献。这种非机械、高功率、高光束质量的2D光束扫描技术还将对其他应用（例如自适应照明等）有用。
▲看似随机的光子晶体线允许以各种角度发射激光束，从而实现更加通用和紧凑的LiDAR技术。图片来源：京都大学/ Noda实验室
日前，来自京都大学工程研究生院的一个研究小组成功研发了一种利用“光子晶体”的新型光束扫描而无需移动部件的设备。研究人员发现，改变晶格点的形状和位置会导致沿特定方向发射激光束，而不是将晶体的晶格点排列成有序的阵列。该研究成果2020年7月17日发表在Nature Communications上，题目为"Dually modulated photonic crystals enabling high-power high-beam-quality two-dimensional beam scanning lasers"。
在该研究中，作者提出了双调制光子晶体的概念，并证明了光子晶体晶格点的位置和尺寸的同时调制对于实现具有高输出功率和高质量光束的任意2D方向的光束发射是必不可少的。这个概念是在纳米天线理论的基础上发展起来的，并得到了实验验证。研究人员在10×10矩阵结构中制作了100个双调制光子晶体激光器阵列，可以通过高速、基于电路的切换来操作，以演示2D光束扫描，以及在宽范围的方向上同时扫描多个光束。
通过选择性驱动10××10矩阵阵列的元素演示2D光束扫描。
光子晶体的“随机”阵列使得激光束可以以不同的方向和角度发射。这项新技术可用于制造更紧凑、更精确的激光雷达系统。
在这项研究中，研究人员演示了使用具有100个可分辨点的双调制光子晶体激光器进行光束扫描。将来，可以预期的是，可解决的点数将大大增加，而装置尺寸的按比例较小地增加。例如，可分辨点的数量可以增加900倍（至90,000个），而设备尺寸仅增加4倍。即使在这种情况下，也可以保持每个激励区域 在100×100μm2下，可以保持较窄的发散角和较高的瓦特级输出功率。
本文来源：Ryoichi Sakata et al, Dually modulated photonic crystals enabling high-power high-beam-quality two-dimensional beam scanning lasers, Nature Communications (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-17092-w
