Inżynierowie z AGH pomagają przyspieszyć pracę przestrzennych modulatorów światła o kilka rzędów wielkości

Kiedy chcemy generować dynamiczne obrazy, musimy wielokrotnie i szybko zmieniać parametry tworzącej je wiązki światła. Konieczność ta zachodzi również wówczas, kiedy zamierzamy oświetlić obiekt, żeby uzyskać jego obraz w oparciu o światło od niego odbite. Urządzenia służące do wyświetlania i przechwytywania obrazu wyposażone są w tym celu w przestrzenne modulatory światła (ang. Spatial Light Modulators, SLM), które nadają przechodzącej przez nie wiązce pożądane właściwości w zakresie fazy, intensywności, polaryzacji czy kierunku. Powszechnie stosuje się w tym celu np. ciekłe kryształy, których cząsteczki po wzbudzeniu impulsem mechanicznym układają się w pożądany wzór przestrzenny, tworząc siatkę dyfrakcyjną.

Wąskie gardło przestrzennych modulatorów światła

Modulatory osiągnęły swoją maksymalną rozdzielczość przestrzenną ograniczoną prawami fizyki (tzw. limit dyfrakcyjny), ale ich rozdzielczość czasowa wciąż pozostaje kilka rzędów wielkości poniżej limitu podyktowanego przez maksymalną częstotliwość optyczną. Przekładając to na praktykę – po poprawie tego drugiego parametru obrazy byłyby wyświetlane jeszcze płynniej, a zmiany kształtu czy położenia badanych obiektów w czasie bylibyśmy w stanie obserwować z niespotykaną dotąd dokładnością.

Przeszkodą jest czas reakcji na wzbudzenie struktur, które w modulatorach tworzą ośrodek nadający wiązce światła oczekiwaną formę. Modele ciekłokrystaliczne potrafią generować do 10 tys. wzorów na sekundę, a specjalistyczne systemy oparte o układy mikrozwierciadeł – kilkakrotnie więcej. Obecna technologia pozwala jednak emitować impulsy wzbudzające z gigahercową częstotliwością, czyli tysiące razy szybciej niż są w stanie pracować nawet najszybsze dzisiejsze układy SLM.

Jak zakodować większą liczbę wzorów w krótszym czasie?

Naukowcy działający w interdyscyplinarnym Projekcie DYNAMO, który w ramach konsorcjum skupia kilka europejskich ośrodków, w tym Akademię Górniczo-Hutniczą, proponują całkowitą zmianę paradygmatu myślenia o częstotliwości pracy modulatorów światła. Uczeni pracują nad systemem, który pozwoli na zakodowanie wielu wzorów w ramach jednego impulsu. W tym celu chcą zaprojektować metamateriał, który będzie posiadał cechy układu periodycznego i deformował się w zależności od wymuszonej częstotliwości drgań z różnym rozkładem przestrzennym.

– Impuls jest sygnałem, który w matematycznej granicy pozwala nam wzbudzić wszystkie częstotliwości. W praktyce oznacza to bardzo szeroki zakres użyteczny, który można wykorzystać do analizy. Projektując więc kryształ w taki sposób, aby odpowiadał różnymi wzorami w krótkiej chwili po wzbudzeniu takim impulsem, jesteśmy w stanie bardzo zacieśnić informację w czasie. W odróżnieniu od klasycznego modulatora światła, który jest przestrajany mechanicznie, tutaj wszystko będzie działo się automatycznie na skutek deformacji całego układu – wyjaśnia dr hab. inż. Paweł Paćko, profesor na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Robotyki AGH.

Projektowanie struktury metamateriału

Akademia Górniczo-Hutnicza, obok Universitat Jaume I w Castellón oraz Imperial College w Londynie, odpowiedzialna jest w projekcie za dostarczenie teoretycznych wytycznych niezbędnych do wyprodukowania takiego metamateriału. – Zwykle jest tak, że w małym zakresie częstotliwości postać drgań niewiele się różni. Naszym celem jest, aby w wąskim paśmie częstotliwości upakować bardzo dużo takich postaci, żeby przy niewielkiej zmianie wymuszenia deformacja zwierciadła była drastycznie inna – wyjaśnia prof. Paćko.

Uczony opisuje również, jak może wyglądać i pracować taka struktura: – W przybliżeniu można sobie wyobrazić taki kryształ jako drgającą płytkę, która będzie wyposażona punktowo w tzw. reflektory, dla przykładu – małe masy na sprężynkach. Jeżeli postawimy taką masę na sprężynce na płytce, spowoduje ona rozpraszanie fal, co w konsekwencji zmieni postać drgań całego układu. Jeżeli postawimy dwie, zaczną oddziaływać na siebie wzajemnie, w wyniku czego pole falowe będzie podlegało wielokrotnemu rozpraszaniu.

– Nasza idea jest taka, żeby najpierw zrozumieć, co dzieje się w małej skali, gdy elementów, które wchodzą w interakcje, jest niewiele, a później wykorzystać to do projektowania większych struktur – dodaje naukowiec z AGH.

Skorzystają m.in. biolodzy i inżynierowie

Produkcja materiału o wskazanych parametrach to zadanie inżynierów specjalizujących się w wytwarzaniu nanostruktur z Institut de Ciència de Materials w Barcelonie. Stworzone przez nich próbki będą badane przez uczonych parających się optoakustyką z Institut des NanoSciences w Paryżu, a testowaniem ich pod kątem aplikacji w systemach obrazowania zajmą się eksperci z Castellón. Ten ostatni ośrodek pełni również rolę koordynatora całego projektu. Naukowcy mają nadzieję, że uda im się zaproponować rozwiązanie, które pozwoli zwiększyć szybkość działania modulatorów światła nawet milion razy.

– Istnieje bardzo dużo zjawisk zachodzących w bardzo małej skali czasowej, których obecnie nie potrafimy obrazować. Pierwotną inspiracją do badań było obrazowanie tkanek miękkich, natomiast zastosowania projektowanego rozwiązania mogą być wielorakie, np. w fizyce czy metalografii. W ostatnich latach w wyniku rozwoju elektroniki jest m.in. duże zainteresowanie tym, jak materiały deformują się w bardzo krótkim czasie w wyniku różnego rodzaju zderzeń – wymienia potencjalne zastosowania nowej technologii prof. Paćko.

Więcej informacji o projekcie można znaleźć na stronie dynamo-project.eu.

Projekt „Dynamic spatial light modulators based on phononic architectures – DYNAMO” otrzymał dofinansowanie ze środków  programu UE „HORIZON-EIC-2021-PATHFINDEROPEN” w ramach Horizon Europe.