Les hologrammes 3D de votre téléphone, de votre télévision ou de votre droïde préféré sont promis depuis des décennies mais, malgré leur grand intérêt, ils ne se sont pas encore concrétisés. Leurs applications sont de grande envergure, en particulier dans le domaine des technologies médicales où les hologrammes dynamiques en temps réel devraient raccourcir les temps d’opération et offrir de meilleurs résultats chirurgicaux.
Les hologrammes 3D dynamiques ont le potentiel de remplacer l’imagerie 2D actuelle telle que les IRM, offrant aux chirurgiens une compréhension plus complète des systèmes internes d’un patient en temps réel, ce qui se traduit par des chirurgies moins invasives et moins de surprises sur la table d’opération.
Alors que l’impact potentiel des hologrammes 3D dans le domaine médical est connu depuis un certain temps, les chercheurs se sont heurtés à des obstacles dans le développement de la technologie sans avoir recours à des systèmes encombrants, non portables et coûteux qui ne peuvent être utilisés que dans de grands hôpitaux établis, créant un obstacle important à une adoption généralisée.
Un nouveau système optique miniaturisé est nécessaire, qui peut être intégré sur une puce, consomme un minimum d’énergie, peut déplacer un faisceau dans l’espace libre, contrôler la forme du faisceau et a un front d’onde accordable.
Alors que la technologie existe pour répondre à chacun de ces points, les combiner en un seul système s’est avéré insaisissable jusqu’à présent.
Des chercheurs de TMOS, le Centre d’excellence du Conseil australien de la recherche pour les systèmes méta-optiques transformateurs, ont rapproché cette technologie de la réalité en utilisant la méta-optique, combinant un nanofil vertical avec un laser à micro-anneaux fabriqué à partir de nanostructures semi-conductrices.
Les nanofils verticaux à eux seuls ont une directionnalité exceptionnelle et peuvent façonner efficacement un faisceau laser, mais leur configuration entraîne une fuite de photons importante pendant le processus de laser. L’endroit où les photons se reflètent sur le miroir de base est également l’endroit où le nanofil se connecte à un substrat et cette connexion fait du nanofil un laser inefficace.
Dans un laser à micro-anneau, d’autre part, la plupart des photons d’un laser à micro-anneau se déplacent parallèlement au substrat, ce qui entraîne moins de fuite de photons et une efficacité laser beaucoup plus élevée, mais il est incroyablement difficile de contrôler la direction et la forme du faisceau.
Dans une première mondiale, les chercheurs de TMOS ont combiné une cavité laser à micro-anneaux InP avec une antenne verticale à nanofils InP qui se trouve en son centre et dirige le photon dans l’espace libre avec des formes de faisceau spécifiques, le développement nécessaire pour les hologrammes 3D. Les cavités du micro-anneau et du nanofil, qui fonctionnent respectivement comme source de lumière et antenne dans le système, sont développées simultanément en utilisant la technique d’épitaxie de zone sélective.
Ce dispositif a une taille inférieure à 5 microns et pourrait éventuellement former un seul pixel d’hologramme. L’efficacité de ce couplage a été démontrée en laboratoire et les détails ont été publiés dans Examen du laser et de la photonique aujourd’hui.
L’auteur principal, Wei Wen Wong, déclare : « C’est la voie à suivre vers une faible consommation d’énergie, des microlasers sur puce avec une directionnalité d’émission réglable. Ce nouveau développement supprime l’un des principaux obstacles à la réalisation d’hologrammes 3D.
« Nous espérons que ce nouvel appareil sera un jour intégré dans un appareil suffisamment petit et suffisamment bon marché pour que les professionnels de la santé se glissent dans leur poche lorsqu’ils se rendent dans des régions éloignées, permettant la projection d’hologrammes dynamiques en couleur à partir de tables d’opération sur le terrain. »
Hoe Tan, chercheur en chef du TMOS, a déclaré : « Le développement d’hologrammes dynamiques est l’un des projets phares de notre centre. Les équipes des cinq universités participantes travaillent ensemble pour en faire une réalité. Les prochaines étapes de notre recherche consistent à créer un ensemble de pixels où le front d’onde et la forme du faisceau peuvent être contrôlés individuellement et réglés dynamiquement. »
Plus d’information:
Wei Wen Wong, et al, Laser directionnel dans les systèmes couplés InP Microring/Nanowire, Avis sur le laser et la photonique (2022). DOI : 10.1002/lpor.202200658
Fourni par le centre d’excellence ARC pour les systèmes méta-optiques transformateurs