3D-Hologramme von Ihrem Telefon, Fernseher oder Lieblingsdroiden werden seit Jahrzehnten versprochen, sind aber trotz ihres großen Interesses noch nicht verwirklicht worden. Die Anwendungen für sie sind weitreichend, insbesondere im Bereich der Medizintechnik, wo vorausgesagt wird, dass dynamische Hologramme in Echtzeit die Operationszeiten verkürzen und bessere chirurgische Ergebnisse liefern.
Dynamische 3D-Hologramme haben das Potenzial, aktuelle 2D-Bildgebung wie MRT-Scans zu ersetzen und Chirurgen ein umfassenderes Verständnis der inneren Systeme eines Patienten in Echtzeit zu vermitteln, was zu weniger invasiven Operationen und weniger Überraschungen auf dem Operationstisch führt.
Während die potenziellen Auswirkungen von 3D-Hologrammen im medizinischen Bereich seit einiger Zeit bekannt sind, sind Forscher bei der Entwicklung der Technologie auf Hindernisse gestoßen, ohne auf sperrige, nicht tragbare und teure Systeme zurückzugreifen, die nur in großen, etablierten Krankenhäusern verwendet werden können ein erhebliches Hindernis für eine breite Akzeptanz.
Es wird ein neues, miniaturisiertes optisches System benötigt, das auf einem Chip integriert werden kann, minimale Energie verbraucht, einen Strahl in den freien Raum verschieben kann, die Strahlform steuern kann und eine abstimmbare Wellenfront hat.
Obwohl es Technologien gibt, um jeden dieser Punkte zu beantworten, hat es sich bisher als schwer fassbar erwiesen, sie zu einem einzigen System zu kombinieren.
Forscher am TMOS, dem Australian Research Council Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems, haben diese Technologie mithilfe von Meta-Optik einen Schritt näher an die Realität gebracht, indem sie einen vertikalen Nanodraht mit einem Mikroringlaser aus Halbleiter-Nanostrukturen kombinierten.
Vertikale Nanodrähte an sich haben eine außergewöhnliche Richtwirkung und können einen Laserstrahl effektiv formen, ihre Konfiguration führt jedoch zu einem erheblichen Photonenverlust während des Laserprozesses. Wo die Photonen vom Basisspiegel reflektiert werden, ist auch der Nanodraht mit einem Substrat verbunden, und diese Verbindung macht den Nanodraht zu einem ineffizienten Laser.
In einem Mikroringlaser hingegen bewegen sich die meisten Photonen in einem Mikroringlaser parallel zum Substrat, was zu einem geringeren Photonenverlust und einer weitaus höheren Lasereffizienz führt, jedoch ist es unglaublich schwierig, die Richtung und Form des Strahls zu steuern.
Als Weltneuheit haben TMOS-Forscher einen InP-Mikroringlaserhohlraum mit einer vertikalen InP-Nanodrahtantenne kombiniert, die in seiner Mitte sitzt und Photonen mit spezifischen Strahlformen in den freien Raum lenkt, die Entwicklung, die für 3D-Hologramme erforderlich ist. Die Mikroring- und Nanodraht-Hohlräume, die als Lichtquelle bzw. Antenne im System fungieren, werden gleichzeitig unter Verwendung der selektiven Flächenepitaxie-Technik gezüchtet.
Dieses Gerät ist weniger als 5 Mikrometer groß und könnte schließlich ein einzelnes Hologrammpixel bilden. Die Wirksamkeit dieser Kopplung wurde im Labor demonstriert und Details wurden in veröffentlicht Laser & Photonik Review heute.
Hauptautor Wei Wen Wong sagt: „Dies ist der Weg nach vorn zu On-Chip-Mikrolasern mit geringem Stromverbrauch und abstimmbarer Emissionsrichtung. Diese neue Entwicklung beseitigt eines der Haupthindernisse, die der Realisierung von 3D-Hologrammen im Wege stehen.“
„Wir hoffen, dass dieses neuartige Gerät eines Tages in ein Gerät integriert wird, das klein genug und billig genug ist, damit Mediziner es in ihre Tasche stecken können, wenn sie in abgelegene Gebiete reisen, und es ermöglichen, dynamische Hologramme in Farbe von Operationstischen vor Ort zu projizieren.“
TMOS Chief Investigator Hoe Tan sagt: „Die Entwicklung dynamischer Hologramme ist eines der Vorzeigeprojekte unseres Zentrums. Teams aller fünf teilnehmenden Universitäten arbeiten zusammen, um dies Wirklichkeit werden zu lassen Wellenfront und Strahlform lassen sich individuell steuern und dynamisch tunen.“
Mehr Informationen:
Wei Wen Wong, et al, Directional Lasing in Coupled InP Microring/Nanowire Systems, Laser- und Photonik-Rezensionen (2022). DOI: 10.1002/lpor.202200658
Bereitgestellt vom ARC Center of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems