Eindhovense laser die in alle richtingen schijnt is wellicht toepasbaar in lidar

Een team wetenschappers van de TU Eindhoven heeft een nieuw type nanolaser ontwikkeld dat in alle richtingen schijnt. De ontdekking kan een bijdrage leveren aan het vereenvoudigen van huidige lidar-systemen.

Een nanolaser die in alle of meerdere richtingen schijnt is normaal gesproken een onwenselijk verschijnsel dat veroorzaakt wordt door fouten in het materiaal. Doordat het gaat om structuren die heel klein zijn, is het lastig de vorm en samenstelling geheel perfect te maken. Een onderzoeksteam van de technische Eindhovense universiteit en Differ heeft nu bewust een beetje 'wanordelijkheid' toegepast in het materiaal om de nanolasers mee te maken. Dat leidde ertoe dat de laser niet meer in één richting schijnt, maar in alle richtingen.

Het gaat om een polaritonlaser, die niet zoals een reguliere laser fotonen 'kloont', maar verschillende fotonen samen groepeert, waardoor intens laserlicht ontstaat. De hoeveelheid energie die nodig is om dit laserlicht op te wekken is bij een polaritonlaser veel lager. Een nadeel van dit type laser is dat ze voorheen alleen werkten bij heel lage temperaturen. Dat problemen hebben de onderzoekers naar eigen zeggen opgelost door organische materialen in te zetten. Daardoor werken de lasers ook op kamertemperatuur.

De specifieke polaritonlaser die de onderzoekers hebben ontwikkeld, is een nieuw type dat bestaat uit een regelmatig patroon van zilveren nanostreepjes die op een kunststof zitten, te weten polymethylmethacrylaat. In 2017 hebben de onderzoekers al een dergelijke laser ontwikkeld, maar nu zijn de zilveren nanostreepjes bewust imperfect geplaatst. Dat leidde tot laserlicht in alle richtingen. De eigenschappen van het laserlicht worden met name bepaald door kleurstofmoleculen in het kunststof.

Hoogleraar en hoofdonderzoeker Jaime Gómez Rivas ziet allerlei toepassingen voor de nieuwe laser. In vergelijking met leds is het laserlicht veel helderder en nauwer afgebakend, waardoor het bijvoorbeeld heel geschikt kan zijn voor microscopen. Ook kan het worden ingezet bij lidar-systemen, waar nu nog een of meerdere lasers en snel bewegende spiegels nodig zijn om met het licht een groot oppervlak in kaart te brengen. De speciale Eindhovense polaritonlaser schijnt van zichzelf al alle kanten uit en heeft daardoor die spiegels niet nodig. Gómez Rivas denkt zelfs aan toepassingen bij gewone verlichting. Hij stelt wel dat er nog meer onderzoek nodig is, met name om de benodigde hoeveelheid energie verder te verlagen en het aantal kleuren te vergroten.

Het onderzoek is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letters, onder de titel Nonlinear emission of molecular ensembles strongly coupled to plasmonic lattices with structural imperfections.

Wat vind je van dit artikel?

Geef je mening in het Geachte Redactie-forum.

Reacties (54)

De specifieke polaritonlaser die de onderzoekers hebben ontwikkeld, is een nieuw type dat uit een regelmatig patroon van zilveren nanostreepjes die op een kunststof zitten, te weten polymethylmethacrylaat.

Deze kunststof met een heel dure naam is iets wat we allemaal kennen en de nodige kilo's van in huis hebben, verwerkt in genoeg consumentenproducten.

PMMA is namelijk niks anders dan doodgewoon plexiglas.

En waar alle Amerikanen aquaria van bouwen, die dan helemaal onder de krassen komen omdat het daar niet tegen kan.

Tja, dat probleem hebben ze in 1986 toch al opgelost?

En in 2015 in het echt: Spinel; moeilijkinees voor doorzichtig alu

Waarschijnlijk wist de auteur dat niet die direct de beschrijving uit het artikel heeft opgenomen.

Nu ik erover nadenk, lijkt het me gek dat in de summary dat niet beschreven zou staan, tenzij het in de fotonica wereld, gewoon een bekende en veel gebruikte naam is.

Ik ben zo blij dat ik altijd eerst de top comments lees. Bedankt

Staat geregeld meer info in de reacties dan in het artikel, spijtig genoeg.

Het eerste wat ik me afvraag is, wat is een lidar systeem? En waarom is dit er dan voor geschikt?

LIDAR is een technologie die de afstand tot een object of oppervlak bepaalt door middel van het gebruik van laserpulsen. Lidar werkt volgens hetzelfde principe als radar: een signaal wordt uitgezonden en zal enige tijd later door reflectie weer worden opgevangen.

Laser hoe we die nu kennen is telkens een pulse. Om een goed beeld te krijgen moet je heel veel pulsen (telkens net een graden verder of soms minder) versturen.

Als het nu zo is dat hij direct overal heen kan pulsen zou dat dus veel tijd schelen.

[Reactie gewijzigd door Cave_Boy op 17 december 2018 17:49]

LIDAR is in zijn simpelste vorm niets anders dan een streepjescode-scanner: Je schiet een laserstraal ergens op af, en kijkt wat voor intensiteit je ervan terug krijgt, of hoe lang de bundel er over doet om terug bij de ontvanger te komen. En dat wordt herhaald over een lijn of over een oppervlak.

Is er niets of iets wat geen licht reflecteert dan geeft dat een 'donker' gedeelte op je beeld, terwijl iets wat veel reflecteert een duidelijke ontvangst oplevert, en uit de intensiteit en looptijd kun je dan zien hoe ver dat object weg is. Aan de hand van de plaats van de laserstraal op dat moment kun je registreren welke objecten op een bepaald moment op een bepaalde afstand zijn, en zo een 3D plaatje maken van alles wat er voor je sensor gebeurt.

In het geval van LIDAR zijn intensiteit en time of flight van het signaal minder belangrijk dan de fase. Dit gezien de wijze waarop een dergelijk systeem in gebruik is (geen statische opstelling/rechte vlakken waarmee het signaal terug wordt gekaatst).

Edit: ter verduidelijking, daarmee wil ik niet zeggen dat ToF en intensiteit niet gebruikt worden. Maar dat er slechts een klein deel van de benodigde informatie uit te halen valt.

[Reactie gewijzigd door un1ty op 18 december 2018 01:29]

Fase is natuurlijk wel een direct gevolg van time of flight.

Een van de gevolgen, ja, maar er zijn meerdere factoren die fase kunnen beïnvloeden

Jup, vooral omdat je eigenlijk altijd met een gemoduleerd signaal werkt en nooit met CW (supersimpele, goedkope systemen even uitgezonderd) kun je meer informatie halen uit de fase die je terug opvangt, zoals eventuele reflecties en de eigenschappen van de omgeving.

Radar doet vaak precies hetzelfde, het enige verschil tussen lidar en radar (en overigens, sonar) is ook echt het medium dat wordt gebruikt.

En heel veel pulsen is op dit moment al enkele miljoenen pulsen per seconde. Dit kan bijvoorbeeld in een auto worden ingebouwd (autonoom rijden) of vanuit een vliegtuig (AHN, algemeen hoogtebestand Nederland) worden gedaan.

Deze sensoren worden gebruikt in de bandenindustrie, zie met enige regelmaat voorbij komen. Verdomd klein eigenlijk en verbazingwekkend duur voor zulk klein spul.

Waarvoor in de bandenindustrie?

Profiel meten

Yup ^^

https://en.m.wikipedia.org/wiki/Lidar

Vraag me wel af of de sensoren de verschillende laserstralen dan wel uit elkaar kunnen houden, of hebben die dan ook verschillende frequenties

[Reactie gewijzigd door twizzle op 17 december 2018 17:58]

Dat vind ik eigenlijk een heel goede vraag. Gaan we, als we straks allemaal massaal in een zelfrijdende auto stappen, niet heel veel last krijgen van elkaars lasers en elkaars apparatuur verstoren?

Natuurlijk is frequenties een ding, maar ook daarvan zijn er niet oneindig veel: eens in de zoveel tijd ga je dan situaties tegenkomen dat er meerdere auto's op eenzelfde frequentie met 130 km/h zich voortbewegen.

Ik ben zeer benieuwd naar iemand met kennis van zaken die mij wat wijzer kan maken.

Natuurlijk is frequenties een ding, maar ook daarvan zijn er niet oneindig vee

Ehm, er zijn wél oneindig veel frequenties. Dat is het probleem niet.

Nu is er wel een gerelateerd probleem: je hebt een minimum-verschil nodig tussen twee frequenties, omdat zowel je zendende laser als je ontvanger een bepaalde bandbreedte hebben. En ik ben dus benieuwd of de imperfecties in deze laser ook tot gevolg hebben dat de bandbreedte groter wordt.

niet alleen de bandbreedte zelf, maar ook de beweging van de objecten ten opzichte van elkaar zullen deze beïnvloeden. Je moet wel iets overhouden om je doppler effect aan te kunnen herkennen...

Verschillende frequenties, maar wellicht ook een soort ‘morsecode’ per scan? Uniek aan het device als een soort gehashed MAC-adres in de vorm van een langere string tekens?

[Reactie gewijzigd door DigitalExorcist op 17 december 2018 18:57]

Perfect!! Overheden en Reclamemakers gaan dit toejuichen. Geen noodzaak meer om camera's in te zetten met kentekenherkenning. De auto zendt zijn eigen unieke ID uit. Even wat portalen uitrusten hiermee en we hebben weer wat big data te analyseren.

Reclamezuilen langs de weg die dat ID meteen ook oppikken zodat de 'exposure' gemeten kan worden (ideaal voor rapportage voor effectiviteit naar de klant), en als we toch bezig zijn, kunnen we e.e.a. meteen toevoegen aan het profiel van de desbetreffende ID met een beetje mazzel kun je de bestuurder matchen en opent dat weer vele marketingsmogelijkheden.

Just saying...

Perfect!! Overheden en Reclamemakers gaan dit toejuichen. Geen noodzaak meer om camera's in te zetten met kentekenherkenning. De auto zendt zijn eigen unieke ID uit. Even wat portalen uitrusten hiermee en we hebben weer wat big data te analyseren.

Nope, mag niet, zie wifi tracking. Dit is principieel exact hetzelfde, alleen met iets andere technologie.

Dus omdat de camera voor kenteken herkenning wordt vervangen door een camera voor 'lidar' detectie zou er iets veranderen? Wat jij zegt kan nu al net zo goed.

Als er zich een object voor je bevindt, of als je lasers van een tegemoetkomende auto opvangt heb je in beide gevallen een probleem. Hoe snel je het probleem gaat hebben zal de volgende opvangronde uitwijzen. Ik neem aan dat licht uitsturen naar alle richtingen onwenselijk is en daar sowieso meerdere sensoren voor gebruikt worden aangezien het uitlezen niet vanuit alle richtingen zal kunnen.

De lasers die gebruikt worden zullen allemaal een vaste frequentie hebben. Waarschijnlijk zal fabrikant A een andere type laser (en dus andere frequentie) gebruiken dan fabrikant B, maar dan nog zal het niet zo zijn dat er miljoenen verschillende laserfrequenties gebruikt worden.

Door echter de frequentie van de pulsen continue random te variëren zou ieder voertuig moeten kunnen achterhalen of een puls die gedetecteerd word van zichzelf afkomstig is of van een ander voertuig. Op basis daarvan kan dan eenvoudig gefilterd worden. Om overlap in de random number generatoren te voorkomen kan die gevoed worden met een aggregaat van de sensor data, dat is zo uniek voor een voertuig/situatie dat het vrijwel uitgesloten is dat er nog overlap tussen twee voertuigen kan optreden.

Een andere, nog simpelere manier, om interferentie te voorkomen is gebruik maken van signaalfilters. Dat is zo standaard in sensortechniek dat ik me eigenlijk niet kan voorstellen dat dit niet al word toegepast.

Voor zover ik weet wordt een lidar in bijvoorbeeld zelfrijdende auto's gebruikt om objecten te detecteren.

lidar wordt bv gebruikt in zelfrijdende auto's

https://nl.wikipedia.org/wiki/Lidar

LIDAR (LIght Detection And Ranging of Laser Imaging Detection And Ranging) is een technologie die de afstand tot een object of oppervlak bepaalt door middel van het gebruik van laserpulsen.

Lidar werkt volgens hetzelfde principe als radar: een signaal wordt uitgezonden en zal enige tijd later door reflectie weer worden opgevangen. De afstand tot het object of oppervlak wordt bepaald door de tijd te meten die verstrijkt tussen het uitzenden van een puls en het opvangen van een reflectie van die puls. Het verschil tussen lidar en radar is dat lidar gebruikmaakt van laserlicht terwijl radar gebruikmaakt van radiogolven.

[Reactie gewijzigd door ETH0.1 op 17 december 2018 17:50]

is even googlen al teveel moeite tegenwoordig;

https://nl.wikipedia.org/wiki/Lidar

LIDAR is nu superhipperdepip omdat het in de meeste zelfrijdende auto's gebruikt wordt, en zelfrijdende auto's zijn nog hipper dan een hele hippe gozer die iets heel hips aan het doen is.

Ik denk dat dat de voornaamste reden is om LIDAR te noemen. (Ik zie echter niet in hoe een laser die alle kanten op schijnt daar zo nuttig voor kan zijn, want hoe weet de sensor nu waar de reflecties vandaan komen?)

Een laser die alle kanten op schijnt, is dat niet gewoon een lamp?

Nee, één van de belangrijkste eigenschappen van een laser is deze maar 1 golflengte uitstraalt en dat alle fotonen in de pas lopen. Bij een gewone lamp is dat niet het geval.

Dat zijn dus twee eigenschappen.

Gasontladingslampen zenden ook licht uit van 1 golflengte. Daarom zijn die natriumlampen ook altijd geel. Maar gasontladingslampen zijn niet coherent zoals lasers. De fotonen zijn onafhankelijk van elkaar uitgezonden.

Andersom kan eigenlijk niet, als je fotonen coherent wil houden dan moeten ze dezelfde golflengte hebben.

Het kán strikt genomen wel, maar dan heb je coherente lichtbronnen die over veel discrete lijnen uitzenden in plaats van een breedbandig spectrum. Gasontladers doen dat ook, die zijn in principe monochromatisch maar er zijn een hoop elementen die veel emissielijnen hebben zodat het een continu spectrum lijkt. Een gloeilamp is een 'zwarte straler', waar het licht afkomstig is van thermische emissie wat een breedbandig spectrum oplevert.

Argon-krypton ionenlasers bijvoorbeeld geven een 'wit' licht met emissielijnen in het blauw, groen, geel en rood, waardoor het gemengd uit ziet als een witte lichtbundel.

Grappig dat je een natriumlamp als voorbeeld noemt.
Een lagedruk natriumlamp is juist bijzonder en beroemd voor natuurkundeleraren vanwege zijn dubbele spectraallijn en zend dus op 2 frequenties uit. Een hogedruknatriumlamp heeft zelfs een best breed spectrum en zend in nog veel meer kleuren en dus golflengten uit.

Lidar, zonder op Google de omschrijving na te kijken, wordt gebruikt om de omgeving 'in kaart' te brengen. Een laser beschijnt elk punt (360 graden) in de omgeving, om zo de afstand te meten. Deze metingen kun je virtueel maken en een 3D ruimte op je scherm tonen. Deze 3D ruimte kun je weer gebruiken in diverse toepassingen, zoals bijvoorbeeld zelf-rijdende auto's.

Wat ik me afvraag in dit artikel, een laser kan het licht wellicht in alle richtingen opsturen, maar je hebt nog altijd een sensor nodig om het van alle richtingen op te vangen... dus dat roteer-onderdeel blijft nodig voor de sensor?

Hoezo heb je een roteer onderdeel nodig om vanuit alle richtingen licht op te vangen? Denk bijvoorbeeld aan een (stilstaande) discobol maar dan met lichtsensoren ipv spiegels op alle vlakken.

De huidige lidar systemen gebruiken dezelfde roterende spiegel om de reflecties op te vangen. Als je dat met statische sensoren moet doen moet je er honderden in plaats van een te hebben. Hoe dat met deze nieuwe ontwikkeling moet is inderdaad de vraag,

Super leek hier: wat is het verschil tussen dit en je laser gewoon op een spiegelende conus of zelfs halve bol schijnen? Dan krijg je toch een laser die alle richtingen op schijnt?

Hoe 'dit' eruit ziet weet ik niet, maar door een laser op een spiegelende conus of zo te gaan schijnen krijg je geen mooi lichtbeeld. Omdat het licht in fase is krijg je gebieden waar het licht elkaar versterkt en gebieden waar het elkaar verzwakt.

Daarvoor moet je eerst een cirkel maken. Dat betekend dus een horizontale en verticale beweging ( zoals de scanners van een discotheeklaser ). Wat neerkomt op bewegende delen. Iets wat je niet wilt.

Zie ook mijn comment hierboven, maar normale laserpennen hebben een lens om het laserlicht mooi evenwijdig te laten gaan. Uit de laserdiode komt het namelijk ook gewoon divergent. De divergentie is niet zo heel bijzonder aan deze laser, dat kan je inderdaad ook gewoon doen met een lens of spiegel.

Hier het e.e.a. te lezen:
https://nl.wikipedia.org/wiki/Lidar

LIDAR (LIght Detection And Ranging of Laser Imaging Detection And Ranging) is een technologie die de afstand tot een object of oppervlak bepaalt door middel van het gebruik van laserpulsen.

Lidar werkt volgens hetzelfde principe als radar: een signaal wordt uitgezonden en zal enige tijd later door reflectie weer worden opgevangen. De afstand tot het object of oppervlak wordt bepaald door de tijd te meten die verstrijkt tussen het uitzenden van een puls en het opvangen van een reflectie van die puls. Het verschil tussen lidar en radar is dat lidar gebruikmaakt van laserlicht terwijl radar gebruikmaakt van radiogolven.

Hierdoor kunnen met lidar veel kleinere objecten worden gedetecteerd dan met radar. De golflengte van radiogolven ligt rond de 1 cm, die van laserlicht tussen de 10 µm en 250 nm. Bij deze golflengte zullen de golven beter door kleine objecten worden gereflecteerd.

Het acronym LADAR voor LAser Detection And Ranging wordt voornamelijk voor militaire toepassingen gebruikt. Laser radar wordt ook wel gebruikt maar is een stuk minder gebruikelijk.

Bron:Wikipediahttps://nl.wikipedia.org/wiki/Lidar

Lasers die alle kanten op schijnen is eigenlijk helemaal niet bijzonder. Vrijwel elke diodelaser is divergent, en schijnt dus als een zaklamp ongeveer in een bundel met een openingshoek van ~90 graden (dus 45 graden links en rechts). Daar wordt dan nog een condensatorlens opgezet om de bundel mooi recht te laten lopen.

De divergentie van dit licht is dus ook niet echt heel bijzonder. Ik denk dat die bijzonderheid meer zit in het type laser in combinatie met de wanorde.

Leuk dat ze het bijzonder willen laten klinken, maar polymethylmethacrylaat is gewoon plexiglas.

Lidars gebruik je toch onder gewone lichtomstandigheden? Dat maakt de opmerking dat het ook bij normale lichtomstandigheden gebruikt kunnen worden na de lidar opmerking een beetje overbodig.