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Neue nicht-mechanische Laserlenkungstechnologie

21.11.2018

Jason Myers/U.S. Naval Research Laboratory

Bislang hat sich die Strahlführung typischerweise auf mechanische Vorrichtungen wie kardanisch gelagerte Spiegel oder rotierende Risley-Prismen verlassen, die inhärente Probleme haben, wie z.B. hohe SWaP-Anforderungen (Größe, Gewicht und Leistung), langsame Scanraten, hohe Reparatur- und Austauschkosten sowie kurze Lebensdauer vor einem mechanischen Ausfall. Steuerbare elektroevaneszierende optische Refraktor-(SEEOR)-Chips nehmen Laserlicht im mittelwelligen Infrarot (MWIR) als Eingang und steuern den Strahl am Ausgang in zwei Dimensionen, ohne dass mechanische Vorrichtungen benötigt werden. SEEORs sollen traditionelle mechanische Balkenlenker durch viel kleinere, leichtere und schnellere Geräte ersetzen, die nur minimale Mengen an elektrischer Energie verbrauchen und eine lange Lebensdauer haben, da sie keine beweglichen Teile haben.

Wissenschaftler des U.S. Naval Research Laboratory haben kürzlich eine neue, nicht-mechanische, chipbasierte Strahlführungstechnologie demonstriert, die eine Alternative zu teuren, sperrigen und oft unzuverlässigen und ineffizienten mechanischen kardanischen Laserscannern bietet.

Der Chip, bekannt als steuerbarer elektroevaneszierender optischer Refraktor oder SEEOR, nimmt Laserlicht im mittelwelligen Infrarot (MWIR) als Eingang und steuert den Strahl ohne mechanische Vorrichtungen zweidimensional am Ausgang - was eine verbesserte Lenkfähigkeit und höhere Scangeschwindigkeit als bei herkömmlichen Methoden zeigt.

"Angesichts der geringen Größe, des Gewichts und des Stromverbrauchs sowie der kontinuierlichen Lenkfähigkeit stellt diese Technologie einen vielversprechenden Weg für MWIR-Strahlsteuerungstechnologien dar", sagte Jesse Frantz, Forschungsphysiker der NRL Optical Sciences Division. "Die Kartierung im MWIR-Spektralbereich zeigt nützliches Potenzial für eine Vielzahl von Anwendungen, wie z.B. die chemische Erfassung und Überwachung von Emissionen aus Deponien, Raffinerien und anderen Industrieanlagen."

Der SEEOR basiert auf einem Lichtwellenleiter - einer Struktur, die das Licht in einer Reihe von dünnen Schichten mit einer Gesamtdicke von weniger als einem Zehntel der Dicke eines menschlichen Haares begrenzt. Laserlicht tritt durch eine Facette ein und wandert in den Kern des Hohlleiters. Einmal im Hohlleiter angekommen, befindet sich ein Teil des Lichts in einer Flüssigkristallschicht (LC) auf dem Kern. Eine Spannung, die über eine Reihe von gemusterten Elektroden an das LC angelegt wird, ändert den Brechungsindex (in Wirklichkeit die Lichtgeschwindigkeit innerhalb des Materials) in Teilen des Hohlleiters, so dass der Hohlleiter als variables Prisma wirkt. Durch die sorgfältige Konstruktion der Hohlleiter und Elektroden kann diese Brechungsindexänderung in Hochgeschwindigkeits- und kontinuierliche Lenkung in zwei Dimensionen umgesetzt werden.

SEEORs wurden ursprünglich entwickelt, um kurzwelliges Infrarotlicht (SWIR) zu manipulieren - der gleiche Teil des Spektrums, das in der Telekommunikation verwendet wird - und haben Anwendungen in Leitsystemen für selbstfahrende Autos gefunden.

"Einen SEEOR zu entwickeln, der im MWIR funktioniert, war eine große Herausforderung", sagte Frantz. "Die meisten gängigen optischen Materialien übertragen kein MWIR-Licht oder sind mit der Hohlleiterarchitektur nicht kompatibel, so dass die Entwicklung dieser Geräte einen Kraftakt in der Werkstofftechnik erforderte."

Um dies zu erreichen, entwickelten die NRL-Forscher neue Hohlleiterstrukturen und LCs, die im MWIR transparent sind, neue Wege, diese Materialien zu mustern und neue Wege, die Ausrichtung in den LCs zu induzieren, ohne zu viel Licht zu absorbieren. Diese Entwicklung bündelte die Anstrengungen mehrerer NRL-Abteilungen, darunter die Optical Sciences Division für MWIR-Materialien, Hohlleiterdesign und -herstellung sowie das Center for Bio/Molecular Science and Engineering für synthetische Chemie und Flüssigkristalltechnologie.

Die resultierenden SEEORs waren in der Lage, MWIR-Licht durch einen Winkelbereich von 14°×0,6° zu steuern. Die Forscher arbeiten nun an Möglichkeiten, diesen Winkelbereich zu vergrößern und den Teil des optischen Spektrums, in dem SEEORs noch weiter arbeiten, zu erweitern.

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