在《星球大战4:新希望》的一个场景中，R2D2投射出莱娅公主绝望地请求帮助的三维全息图像。这一幕拍摄于45年前，包含了一点电影的魔力——即使在今天，我们也没有技术来创造如此逼真和动态的全息图像。

生成一个独立的3D全息图需要极其精确和快速的光控制，这超出了现有技术的能力，现有技术是基于液晶或微镜的。

由麻省理工学院的一个团队领导的一个国际研究小组，花了四年多的时间来解决高速光束形成的问题。他们现在展示了一种可编程的无线设备，可以控制光线，比如将光束聚焦到特定的方向，或者操纵光的强度，而且比商业设备的速度快了几个数量级。

他们还开创了一种制造工艺，以确保设备的质量在大规模生产时保持近乎完美。这将使他们的设备在现实环境中更可行。

该设备被称为空间光调制器，可用于为自动驾驶汽车创建超高速激光雷达(光探测和测距)传感器，它可以比现有的机械系统快大约100万倍。它还可以加速大脑扫描仪，这种扫描仪利用光“看到”组织。由于能够更快地成像组织，扫描仪可以生成分辨率更高的图像，而不受活体组织动态波动噪声的影响，比如流动的血液。

“我们专注于控制光线，这是自古以来反复出现的研究主题。我们的开发是朝着完全光学控制的终极目标迈出的又一大步——在空间和时间上——为无数使用光的应用程序，”22岁的首席作者克里斯托弗·帕努斯基博士说，他最近从电气工程和计算机科学博士毕业。

这篇论文是麻省理工学院的研究人员合作完成的;Flexcompute有限公司;斯特拉斯克莱德大学;纽约州立大学理工学院;应用纳米工具公司;罗切斯特理工学院;以及美国空军研究实验室。资深作者是Dirk Englund，麻省理工学院电气工程和计算机科学副教授，电子研究实验室(RLE)和微系统技术实验室(MTL)的研究员。这项研究发表在今天的《自然光子学》上。

操纵光

空间光调制器(SLM)是一种通过控制光的发射特性来操纵光的装置。与投影仪或电脑屏幕类似，SLM将经过的光束进行转换，将其聚焦在一个方向上，或将其折射到多个位置以形成图像。

在SLM内部，一个二维光调制器阵列控制着光线。但是光的波长只有几百纳米，所以要精确控制高速的光，该设备需要一个极其密集的纳米级控制器阵列。研究人员使用光子晶体微腔阵列来实现这一目标。这些光子晶体谐振器允许光在波长尺度上被控制地存储、操纵和发射。

当光进入一个空腔时，它会停留大约1纳秒，在泄漏到太空之前会反弹超过10万次。虽然一纳秒只是十亿分之一秒，但这已经足够设备精确地操纵光了。通过改变腔的反射率，研究人员可以控制光的逃逸方式。同时控制该阵列可以调制整个光场，因此研究人员可以快速而精确地控制一束光。

“我们的设备的一个新颖的方面是它的工程辐射模式。我们希望每个腔的反射光都是聚焦光束，因为这样可以提高最终器件的光束转向性能。我们的过程本质上是一个理想的光学天线，”帕努斯基说。

为了实现这一目标，研究人员开发了一种新的算法来设计光子晶体器件，当光从每个腔中穿过时，它会形成一个狭窄的光束，他解释说。

用光来控制光

该团队使用一个微型led显示屏来控制SLM。LED像素与硅芯片上的光子晶体对齐，因此打开一个LED就调节了一个微腔。当激光击中激活的微腔时，基于LED发出的光，该微腔对激光的反应不同。

“高速LED-on-CMOS显示器作为微尺度光泵浦源的应用是集成光子技术和开放合作的好处的一个完美例子。我们很高兴能与麻省理工学院的团队在这个雄心勃勃的项目上合作，”斯特拉斯克莱德大学光子学研究所教授Michael Strain说。

Panuski说，使用led控制设备意味着该阵列不仅是可编程和可重构的，而且是完全无线的。

“这是一个全光学控制过程。没有金属线，我们可以把设备放置得更近，而不用担心吸收损失，”他补充说。

弄清楚如何以可扩展的方式制造如此复杂的设备是一个长达数年的过程。研究人员希望使用制造计算机集成电路的相同技术，这样该设备就可以大规模生产。但是微观偏差在任何制造过程中都会发生，而且由于芯片上有微米大小的空腔，这些微小的偏差可能会导致性能的巨大波动。

研究人员与空军研究实验室合作开发了一种高精度的大规模生产工艺，在12英寸的硅片上印上数十亿个空腔。然后他们加入了后处理步骤，以确保所有微腔都在相同的波长下工作。

“一开始，获得一个真正可制造的设备架构是巨大的挑战之一。我想，这一切之所以成为可能，是因为Chris与Mike Fanto和一个优秀的工程师和科学家团队在AFRL、AIM Photonics和我们的其他合作者密切合作了多年，还因为Chris发明了一种基于机器视觉的全息校正新技术。”

在这个“修整”过程中，研究人员用激光照射微腔。激光将硅加热到1000多摄氏度，产生二氧化硅或玻璃。研究人员创造了一个系统，可以用同一束激光同时爆炸所有的空腔，并添加一层玻璃来完美地校准共振——即空腔振动的固有频率。

“在修改了一些制造过程的特性后，我们表明，我们能够在具有非常好的均匀性的铸造过程中制造世界级的设备。这是这项工作的一个重要方面——弄清楚如何使它们可制造，”帕努斯基说。

该设备展示了近乎完美的控制——在空间和时间上——光场的联合“时空带宽”是现有SLMs的10倍。如果能够精确控制巨大的光带宽，就可以使能够极快地携带大量信息的设备成为可能，例如高性能通信系统。

现在，他们已经完善了制造过程，研究人员正致力于制造更大的设备，用于量子控制或超快传感和成像。

该研究部分由赫兹基金会、NDSEG奖学金项目、施密特博士后奖、以色列Vatat奖学金、美国陆军研究室、美国空军研究实验室、英国工程与物理科学研究委员会和皇家工程院资助。

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。