MEMS-peili ohjaa valoa kolmiulotteisesti

Tutkijat käyttävät tarkasti fokusoituja lasersäteitä biologisten näytteiden kuvaamiseen, materiaalien muotoiluun mikroskooppisella tarkkuudella ja näyttöjen luomiseen. Mutta näiden säteiden käyttö kolmiulotteisesti vaatii enemmän kuin valon pyyhkäisyä puolelta toiselle, sillä valon on myös fokusoitava nopeasti uudelleen eri syvyyksissä.

Tämä vaatii usein erillisiä optisia komponentteja, joista toinen ohjaa valoa ja toinen muuttaa sen tarkennuskohtaa. Penn Staten tutkijat ovat kehittäneet huippuluokan pienen peilin, joka pystyy tekemään molemmat ennätysnopeudella, mikä saattaa kaventaa ja nopeuttaa tulevaisuuden aivokuvantamisessa, lisätyn todellisuuden suojalaseissa ja tarkkuusvalmistuksessa käytettäviä optisia järjestelmiä.

”Valon nopea hallinta kolmiulotteisesti yhdellä rakenneratkaisulla tarjoaa merkittävän parannuksen optisen järjestelmän kokonaiskokoon ja painoon”, sanoo tohtoriopiskelija Hunter Shillingburg.

Ratkaisun ytimessä on mikroelektromekaaninen järjestelmä eli MEMS, mikropeili. MEMSit ovat pieniä mekanismeja, jotka on rakennettu siruille käyttäen monia samoja valmistusmenetelmiä, joita käytetään tietokonesirujen valmistuksessa. Elektronisten komponenttien lisäksi ne voivat sisältää mikroskooppisia osia, jotka on suunniteltu liikkumaan tai taipumaan. Tässä ratkaisussa nämä osat kallistavat ja muokkaavat pientä peiliä.

”MEMS-mikropeili on yksinkertaisesti peili, joka voi liikkua”, Shillingburg sanoi. ”Kuten tavallisessa peilissä, laserin suuntaaminen siihen saa säteen heijastumaan peilin pinnasta, ja heijastuneen säteen kohta voidaan sijoittaa kallistamalla peiliä edestakaisin.”

Peiliä voidaan kallistaa kahteen suuntaan, jolloin se voi pyyhkäistä valoa tietyn alueen yli. Toisin kuin tyypillinen skannauspeili, se voi kuitenkin myös muuttaa heijastavan pintansa muotoa – tehdä peilistä litteämmän tai kulhomaisemman, missä heijastunut valo tarkentuu.

Toisin sanoen ohjaamalla valoa sivusuunnassa ja siirtämällä polttoväliä mikrosekunnin nopeuksilla skanneri tarjoaa säteen todellisen 3D-avaruudellisen hallinnan reaaliajassa.

Liikkeiden mahdollistamiseksi tutkijat käyttivät alumiininitridiä, pietsosähköistä materiaalia, joka tuottaa varauksen voiman vaikutuksesta. Jännitteen kohdistaminen ohuisiin alumiininitridikerroksiin saa ne taipumaan, mikä kallistaa tai muuttaa peilin muotoa. Peilin ympärillä olevat rakenteet säätelevät sen kallistusta, kun taas toinen pietsosähköinen kerros muuttaa itse peilin muotoa.

Koska peili on kooltaan noin millimetrin paksuinen se reagoi nopeasti. Tutkijat mittasivat peilin tarkennuksen muuttuvan sekunnin miljoonasosissa. Tämä nopeus voisi olla hyödyllinen teknologioissa, joiden on skannattava nopeasti kolmiulotteisessa avaruudessa, kuten kvanttiohjauksessa, strukturoidussa valaistusmikroskopiassa ja optogenetiikassa – valon käytössä yksittäisten solujen, kuten hermosolujen, seurantaan ja ohjaamiseen.

Aiheesta aiemmin:

MEMS Huygens -kello parantaa ajanoton tarkkuutta ja vakautta

MEMS, piifotoniikka ja nestekidepisarat

Piifotoninen MEMS add-drop -suodatin