Piirilevykokoisen LiDAR:n: Pienempi ja edullisempi LiNbO3 Pockels -laserin avulla

Miten tarkkuuslaserit tehostavat nykyaikaista LiDAR:ia

Laserit ovat aliarvostettu peruslaitteisto, joka tukee modernia maailmaa. Niitä käytetään puolijohdeteollisuudessa, kuituoptisessa televiestinnässä, kaiverruksessa ja painatuksessa, optisissa levyissä, leikkauksessa, mittauksessa, sotilasjärjestelmissä, avaruusteollisuudessa ym.

Yksi viimeaikainen läpimurtosovellus laseille on LiDAR (Light Detection and Ranging), tai “laser radar”, menetelmä, joka käyttää laseria etäisyyden havaitsemiseen kohteesta tarkalla tarkkuudella.

LiDAR-järjestelmiä käyttävät lähes kaikki itseajavat yritykset autonomisten ajoneuvojensa voimanlähteenä, muodostaen suuria laitteita itseajavien autojen päällä.

Lähde: SFGate

LiDAR:n ongelmana on sen melko kömpelty ja kallis rakenne, mikä tekee massakäytöstä taloudellisesti kannattamatonta. Se on myös erittäin hauras, mikä nostaa pitkän aikavälin kustannuksia entisestään.

Tämä saattaa olla juuri muuttumassa, kiitos uuden laser‑suunnittelun, jonka ovat kehittäneet Rochesterin yliopiston (USA) ja Kalifornian yliopiston (USA) tutkijat. Se poikkesi perinteisestä piirikuvioinnista käyttämällä litiumniobiaatin sijaan.

He julkaisi löydöksensä Light Science & Applications¹, otsikolla “Pockels laser directly driving ultrafast optical metrology”.

LiDAR:n ymmärtäminen: Periaatteet ja tekniikat

LiDAR:n etäisyysmittauksen perusteet

LiDAR:n perusperiaate on samanlainen kuin tutkan toiminta: signaali lähetetään ja se heijastuu takaisin kohteesta kohti lähdettä. Aika, joka kuluu signaalin lähettämiseen ja sen palaamiseen, kertoo etäisyyden.

Ero on siinä, että LiDAR:t käyttävät näkymättömiä infrapuna- tai joskus ultraviolettisäteitä, radioaaltojen (RADAR:n “R” – RAdio Havaitseminen ja Etäisyyden mittaus) sijaan

Lähde: Synopsis

Koska valo on äärimmäisen nopeaa, LiDAR-järjestelmät vaativat erittäin tarkkaa laser‑aallonhallintaa, mikä johtaa järjestelmän korkeaan monimutkaisuuteen, kustannuksiin ja haurauteen.

Pockelsin efekti: Mahdollistaa ultranopean laserin virityksen

Tutkijat ovat pyrkineet parantamaan LiDAR‑teknologiaa hyödyntämällä Pockelsin efektiä. Tämä ilmiö muuttaa joissakin materiaaleissa materiaalin taitekerrointa (kuinka se taittaa valoa), kun sähköinen kenttä on aktiivinen.

Pockelsin efekti ilmenee erityisissä kiteissä, kuten monopotassiumfosfaatissa tai tässä tutkimuksessa käytetyssä litiumniobiaatissa, synteettisessä suolassa, joka koostuu litiumista, niobiumista ja hapesta.

Lähde: Sumimoto

Se mahdollisti tutkijoille laserin luomisen, joka pystyi erittäin tarkasti muuttamaan väriään laajalla valon spektrillä erittäin nopeilla taajuuksilla — noin 10 kvintiljoonaa kertaa sekunnissa.

Litiumniobiaatin yleinen sovellus on pintasäteilyaaltojen (SAW) käyttö älypuhelimissa ja muissa elektronisissa laitteissa suodattimien luomiseksi, jotka estävät kohinaa ja häiriöitä, joten tämä teknologia voi hyödyntää olemassa olevaa toimitusketjua.

Piirilevykokoisen Pockels LiDAR -laserin rakentaminen

Ohutkalvoinen litiumniobiaatti: Nanometrinen suunnittelu

Tiedemiehet käyttivät litiumniobiaatin ohutkalvokerrosta, joka on kerrostettu piidioksidi- ja piisubstraattiin ja suojattu piidioksidikerroksella.

Lähde: Light Science & Applications

He testasivat sitten piisuojaavan kerroksen variaatioita, löytäen optimaalisen paksuuden, joka voi tuottaa hallittavimman taajuusalueen.

Lähde: Light Science & Applications

Tuloksena oli miniaturisoitu laser, tietokoneen sirun kokoinen, jossa on äärimmäisen hallittavat parametrit LiDAR‑sovelluksiin.

“Se on erittäin tärkeä prosessi, jota voidaan käyttää optisiin kelloihin, jotka mittaavat aikaa äärimmäisellä tarkkuudella, mutta siihen tarvitaan paljon laitteita. Tyypillinen kokoonpano saattaa vaatia työvälineitä, joiden koko on pöytätietokone, kuten sisäänrakennettu laser, erottaja, akustinen optinen modulaattori ja vaihemodulaattori.

Laserimme voi integroida kaikki nämä asiat erittäin pienelle sirulle, joka voidaan virittää sähköisesti.”

Shixin Xue – Shixin Xue, a PhD student at Rochester University 

Suorituskykymittarit: Taajuuschirppi ja nopeusmittaus

Kun mittausta tehtiin, siru osoitti suorituskykyä, joka selvästi ylitti kaikki olemassa olevat laserit.

Erityisesti se saavutti “taajuuschirppausnopeuden” jopa 20 EHz/s, modulointikaistanleveyden ylittäen 10 GHz. Vertailun vuoksi nämä luvut ovat kymmenien potensseja suurempia kuin olemassa olevien laserien.

Laserisiru pystyi saavuttamaan nopeusmittauksen 40 m/s lyhyellä 0,4 m matkalta, ja visuaalinen resoluutio oli alle 2 cm. On jopa mahdollista, että nopeusmittaus voisi olla suurempi kuin 40 m/s, mutta kokeellinen kokoonpano ei mahdollistanut nopeampia testejä.

Nämä lyhyen kantaman suorituskyvyt ovat tärkeitä, sillä perinteiset LiDAR‑järjestelmät lähes aina kamppailevat niiden kanssa, erityisesti nopeiden kohteiden kanssa, mikä on suuri haaste itseajaville teknologioille, jotka tarvitsevat tarkkaa näkökykyä lähellä oleviin ja nopeasti liikkuviin kohteisiin.

Lähde: Light Science & Applications

Miksi miniaturisoitu LiDAR on tärkeä: Hyödyt ja käyttötapaukset

Tähän asti laserin taajuuden hallinnan kehitys on ollut melko rajallista. Tämä on aiheuttanut vakavia rajoituksia laserimittausten käytännön käyttöönotolle niiden koon, painon ja virrankulutuksen vuoksi.

Siksi itseajavat autot ja muut autonomiset ajoneuvot (kuten droonit) sekä laitteet (robotiikka) ovat ensimmäisiä ilmeisiä mahdollisuuksia tälle teknologialle. Alaa on hidastanut kaksi ongelmaa: tekoälyn saaminen riittävän älykkääksi turvalliseen ajamiseen ja LiDAR:ien kustannus‑ ja kokoruus, jotta tekoäly saa tarkan näkymän ympäristöönsä. Litiumniobiaatti‑fotoniikka voisi ratkaista toisen ongelman juuri ajoissa, kun tekoälyt tulevat riittävän kyvyiksi tehtävään.

Tämä ei ole ainoa ultra‑tarkan laserimittauksen sovellus. Edistynyt valmistus käyttää LiDAR:ia jatkuviin mittauksiin ja kalibrointeihin. Telekommunikaatio, kvanttiviestintä, mikroaaltojen tuotanto ja anturit voisivat myös hyötyä taskukokoisista, edullisista ja vähän energiaa kuluttavista laserimittauksista.

Tiedemiehet käyttävät laseria myös gravitaatioaaltojen, pimeän aineen havainnoinnin ja muiden edistyneiden fysiikan laskelmien mittaamiseen. Ultra‑tarkat nopeusmittarit (velocimetrit) voisivat olla tärkeitä paremman inertiaalisen suljetun fuusioreaktorin kehittämisessä, joten ne voisivat edistää myös tieteellistä kehitystä.

Laseriteknologiaan sijoittaminen

Laserit ovat läsnä lukemattomissa nykyaikaisen teknologian osissa, optisista levyistä leikkausvälineisiin, 3D‑tulostukseen, puolijohteisiin, valmistukseen ja genomin sekvensointiin, odotettavissa 17,8 miljardia dollaria markkina, joka kasvaa 7,8 % CAGR:lla vuoteen 2030 asti.

Voit sijoittaa laserialan yrityksiin monien välittäjien kautta, ja löydät täältä, securities.io, suosituksemme parhaista välittäjistä Yhdysvalloissa, Kanadassa, Australiassa, Yhdistyneessä kuningaskunnassa, sekä monissa muissa maissa.

Jos et halua valita yksittäisiä yrityksiä, voit myös tarkastella teknologiayhtiöiden ETF:iä, kuten iShares U.S. Technology ETF (IYW) tai ProShares Nanotechnology ETF (TINY), vaikka erillistä pelkästään laser‑ETF:ää ei ole saatavilla, mikä tarjoaa monipuolisemman altistuksen nanoteknologian ja teknologiaosakkeiden hyödyntämiseen.

Parhaat julkiset laser‑ ja fotoniikkayritykset

Coherent (II-VI Marlow): Laserinnovaation johtaja

Coherent on suuri teollisuuskonglomeraatti, jossa on yli 26 000 työntekijää ja se on laseriteknologian johtaja. Se syntyi edistyneen materiaalin II‑VI Marlowin ja laserivalmistaja Coherentin fuusiosta.

Yritys on asiantuntija edistyneissä materiaaleissa, joita käytetään laseissa, optiikassa ja fotoniikassa, kuten indiumfosfidissa, epitaksiaalisissa waferissa ja galliumarsenidissa.

Se kasvoi merkittävästi useiden yritysostojen ansiosta viimeisen vuosikymmenen aikana, liikevaihdosta 600 miljoonaa dollaria vuonna 2013 4,7 miljardiin dollariin vuonna 2024.

Yritys saa 29 % liikevaihdostaan suoraan laseista, loput liittyvät oheislaitteisiin, kuten optiseen kuituun ja elektroniikkaan. Instrumentointikategoria kattaa enimmäkseen elintarvike- ja lääketieteelliset sovellukset.

Lähde: Coherent

Yrityksen läsnäolo edistyneissä materiaaleissa, kuten termofotovoltaikassa (josta käsittelimme aiemmassa artikkelissa), piisilikonkarbidi, laserit ja elektroniikka, auttaa sitä hyötymään rakenteellisista trendeistä, kuten tarkkuusvalmistuksen, lisävalmistuksen (3D‑tulostus), sähköistymisen ja uusiutuvan energian kasvusta.

Yritys on viime aikoina eriyttänyt piisikarbidi‑liiketoimintansa uuteen yhtiöön, jonka 75 % omistaa Coherent, loput omistavat tasan sen kumppanit Mitsubishi Electric (tuoden piisikarbidi‑teho‑IP:n) ja Denso (tuoden sen toiminnan autoteollisuuden sähköistämisen ja teho‑puolijohteiden alalta).

Tämä johtuu siitä, että piisikarbidi kehittyy yhä omaksi teknologikseen, jota käytetään pääasiassa suuritehoisissa sovelluksissa, kuten sähköautoissa, akkuissa ja uusiutuvassa energiassa.

Coherent on LiDAR- ja 3D‑digitaalisen havainnoinnin johtaja, mukaan lukien itseajavat sovellukset, biotekniikan seuraavan sukupolven sekvensointi (NGS) Flow Cells ja laserit puolijohdeteollisuuteen. Se odottaa päämarkkinoidensa kasvavan 8‑20 %.

Lähde: Coherent

Muut mahdolliset uudet laser‑sovellukset, kuten suorat energiasodat, fotoninen laskenta, ydinfuusio ja avaruusteknologia, voivat kaikki yhtä hyvin tukea yhtiön pitkän aikavälin kasvua.

Kaiken kaikkiaan Coherent on lähimpänä “puhdasta” julkisesti noteerattua laseriyritystä sijoittajille, joilla on vahva pystysuora integraatio ja yli 3 100 patenttia, jotka suojaavat sen innovaatioita.

Coherent valmistaa myös mittakaavassa litiumniobiaatti‑waafereita, making it one of the companies best positioned to potentially bring the innovation discussed in this article to a commercial stage.

Uusimmat Coherent (COHR) -osaketuotteet ja kehitys

Viitattu tutkimus

^{1. Xue, S., Li, M., Lopez-rios, R., et al. Pockels laser directly driving ultrafast optical metrology. Light Sci Appl 14, 209 (2025). https://doi.org/10.1038/s41377-025-01872-4}