Инженеры использовали квантовую технологию для создания лидарной системы, которая делает трехмерные изображения под водой. Исследователи из Университета Хериот-Уатт и Эдинбургского университета продемонстрировали прототип лидарной системы, использующей технологию квантового обнаружения для получения трехмерных изображений при погружении под воду. Высокая чувствительность системы позволяет делать качественные снимки даже в условиях низкой освещенности.
Инженеры разработали лидарную систему, которая использует зеленый импульсный лазерный источник для освещения области съемки. Отраженное импульсное освещение обнаруживается массивом однофотонных детекторов, что обеспечивает сверхбыстрое обнаружение при слабом освещении и значительно сокращает время измерения в средах со слабым освещением.
Для этого подхода требуются тысячи однофотонных детекторов, каждый из которых генерирует сотни событий в секунду. Это чрезвычайно усложняет получение и обработку данных, необходимых для быстрого восстановления трехмерного изображения, особенно для приложений, работающих в реальном времени. Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали алгоритмы для визуализации в условиях сильного рассеяния. Они могут работать на обычных графических процессорах (GPU).
Получение 3D-изображений через океанскую воду — сложная задача. Устройства используют отраженное световое излучение, а любые частицы в воде будут рассеивать свет и искажать снимок. Но обнаружение одиночных фотонов, основанное на квантовой технике, обеспечивает очень высокое проникновение и работает даже в условиях низкой освещенности.
Исследователи протестировали работу системы в резервуаре, в который добавили рассеивающий агент, чтобы сделать воду более мутной. Эксперименты с тремя различными уровнями мутности продемонстрировали успешное получение изображений лидаром на расстоянии до 3 м. Инженеры работают над уменьшением размера системы, чтобы ее можно было интегрировать в подводный аппарат.
Источник: https://www.nanonewsnet.ru/

Исследователи разработали миниатюрный светодиод, встроенный в фотонный чип. Исследование опубликовано в журнале Nature Comunications. Инженеры из Сингапура и Массачусетского технологического института разработали крошечный светодиод, который можно встроить в фотонный чип и использовать для создания голографического микроскопа из обычной камеры мобильного телефона. Технология использует встроенный в чип источник света и нейронную сеть, которая реконструирует данные голографического микроскопа.
Свет в большинстве фотонных чипов исходит от внешних источников, что приводит к низкой общей энергоэффективности и существенно ограничивает масштабируемость этих чипов, объясняют ученые. Чтобы решить эту проблему, они разработали встроенные источники с использованием различных материалов, таких как стекло, легированное редкоземельными элементами, кремниево-германиевых материалов (Ge-on-Si) и полупроводниковых соединений AIIIBV.
Готовое устройство представляет собой интегрированный с существующими полупроводниковыми технологиями (КМОП) светодиод субволнового диапазона, который может работать при комнатной температуре, демонстрирует высокую пространственную интенсивность (102 ± 48 мВт/см²) и обладает наименьшей площадью излучения (0,09 ± 0,04 мкм²) среди всех известных кремниевых излучателей.
Чтобы продемонстрировать потенциальное практическое применение, исследователи интегрировали этот светодиод в линейный, полностью кремниевый голографический микроскоп сантиметрового масштаба, не требующий ни линзы, ни отверстия.
Часто встречающееся препятствие в безлинзовой голографии — вычислительная реконструкция отображаемого объекта. Традиционные методы обработки изображений требуют детального знания экспериментальной установки для точной реконструкции и чувствительны к трудно контролируемым переменным.
Инженеры разработали нейронную сеть, которая преодолевает это препятствие. Она не требует предварительного обучения и позволяет обрабатывать изображения от новых источников света без предварительного знания спектра источника или профиля луча. Исследователи отмечают, что технология позволяет превратить камеры в повседневных устройствах, таких как мобильные телефоны, в микроскопы только путем модификации кремниевого чипа и программного обеспечения.
Из-за низкой стоимости и масштабируемости процессов микроэлектроники КМОП это можно сделать без увеличения сложности, стоимости или форм-фактора системы. Это позволяет нам преобразовать, с относительной простотой, камеру мобильного телефона в голографический микроскоп этого типа, – Иксунг Канг, соавтор исследования.
Источник: https://hightech.fm/

Исследователи продемонстрировали непрерывно работающее оптическое волокно из разреженного воздуха, которое подойдет для передачи сверхмощных лазерных лучей. Инженеры из Университета Мэриленда использовали разреженный воздух в качестве оптического «кабеля» для передачи сверхмощных лазерных лучей. Масштабирование технологии позволит обеспечить непрерывную передачу воздушных волн на километры и более дальние расстояния с помощью существующей лазерной технологии и доступной мощности установки.
Наиболее распространенные оптические волокна представляют собой стеклянные нити, которые плотно удерживают свет на больших расстояниях. Но такие структуры плохо подходят для направления сверхмощных лазерных лучей: они повреждают стекло и приводят к рассеянию энергии из волокна.
Инженеры продемонстрировали метод оптического наведения, который использует вспомогательные ультракороткие лазерные импульсы для создания волоконно-оптических волноводов в самом воздухе. Эти короткие импульсы образуют кольцо высокоинтенсивных световых структур, называемых «нитями», которые нагревают молекулы воздуха, образуя расширенное кольцо с низкой плотностью, окружающее центральную невозмущенную область.
В исследовании, опубликованном в январе этого года, физики показали, что с помощью этого метода можно формировать волноводы длиной 50 м, которые существуют в течение десятков миллисекунд, пока не рассеются из-за охлаждения окружающим воздухом. В новом исследовании они модифицировали технологию, чтобы поддерживать непрерывное существование оптического воздушного волновода.
В предыдущем эксперименте исследователи использовали лазер, который испускал импульс каждые 100 мс (частота — 10 Гц). В новом исследовании ученые увеличили частоту импульсов до 1000 Гц. Это формирует воздушный волновод, поддерживающийся за счет нагрева, который происходит быстрее, чем окружающий воздух может его охладить. В результате получается непрерывно работающее оптоволокно, которое может направлять инжектированный непрерывный лазерный луч. Исследователи отмечают, что технологию легко масштабировать для передачи сигнала на расстояние 1 км и более.
Используя воздух в качестве волокна можно управлять очень высокими мощностями лазерного излучения, добавляют авторы работы. Его можно использовать для сбора дистанционных оптических сигналов, обнаружения загрязнений и радиоактивных источников. При этом такой волновод не требует предварительного прокладывания кабеля в определенном направлении, а может быть «развернут» в любом направлении.
Источник: https://www.nanonewsnet.ru

Специалисты московского Университета науки и технологий МИСИС разработали фотоэлемент, который сможет вырабатывать электричество не только от солнечного света, но и от обычных светодиодных или флуоресцентных ламп. Промышленные прототипы, представленные российскими учеными, достигли рекордной производительности при разном сочетании цветов света — 36,1% и готовы к массовому выпуску.
Обычно солнечные элементы изготавливают из кремния, но это дорогой в производстве материал, из которого не изготовишь гибких солнечных панелей. Кроме того, КПД кремниевых фотоэлементов быстро приближается к пределу. Альтернативой могут стать элементы из перовскитов — такие тонкопленочные устройства дешевле, к тому же их можно наносить на гибкую подложку.
Многие лаборатории мира активно исследуют возможности тандемных фотоэлементов, сочетающих сильные стороны и кремния, и перовскита. Но команда ученых из НИТУ МИСИС добилась успеха в создании тонкопленочных перовскитовых устройств, причем обладающих важным свойством — они преобразуют в электрическую энергию не только солнечный свет, но и свет из искусственных источников.
Перовскитовый элемент с повышенным содержанием брома оказался эффективнее кремния в 2,5 раза при разной цветовой температуре. Максимальную производительность — 36,1% — прототип показал при теплом освещении.
«Перовскит с повышенным содержанием брома крайне эффективно преобразуют цвета различных цветовых температур в электроэнергию при так называемом горячем освещении (1700 Кельвин). Бром, в данном случае, помогает сдвигать край спектра поглощения в область высокоэнергетических фотонов», — пояснила Нигина Талбанова, соавтор работы.
Авторы исследования предлагают использовать тонкие перовскитовые фотоэлементы внутри помещений, в условиях плохой освещенности для питания датчиков и устройств интернета вещей и прочей мелкой электроники.
Источник: https://hightech.plus/

В будущем новая экспериментальная конструкция TPM позволит фиксировать быстрые биологические процессы и может значительно улучшить наше понимание их. Объединив два режима лазерного сканирования, исследователи разработали универсальную систему двухфотонной микроскопии, которую можно использовать для наблюдения за чрезвычайно быстрыми биологическими процессами с высокой частотой кадров и пространственным разрешением.
Двухфотонная микроскопия (two-photon microscopy, TPM) произвела революцию в области биологии, позволив исследователям наблюдать сложные биологические процессы в живых тканях с высоким разрешением. В отличие от традиционных методов флуоресцентной микроскопии, TPM использует низкоэнергетические фотоны для возбуждения флуоресцентных молекул для наблюдения. Это, в свою очередь, позволяет проникать в ткань намного глубже и гарантирует, что флуоресцентные молекулы или флуорофоры не будут постоянно повреждены возбуждающим лазером.
Однако некоторые биологические процессы происходят слишком быстро, чтобы зарегистрировать их даже с помощью самых современных TPM.
Есть один из конструктивных параметров, ограничивающих производительность TPM — частота строчной развертки, измеряемая в кадрах в секунду (frames per second, FPS). Это относится к скорости, с которой образец-мишень можно просканировать лазером в одном направлении (например, при горизонтальной прокрутке). Низкая частота сканирования также влияет на общий FPS системы, поскольку определяет, насколько быстро лазер перемещается в другом направлении, т. е. в вертикальном направлении. Вместе они создают компромисс между временным разрешением микроскопа и размером кадра наблюдения.
Чтобы решить эту проблему, международная группа исследователей из Китая и Германии разработала мощную установку TPM с беспрецедентно высокой частотой линейного сканирования. Согласно отчету, опубликованному в журнале Neurophotonics, эта система микроскопии была разработана для визуализации быстрых биологических процессов с высоким временным и пространственным разрешением.
Одним из ключевых факторов, отличающих предлагаемые TPM от традиционных, является использование акустооптических дефлекторов (acousto-optic deflectors, AOD) для управления сканированием возбуждающего лазера. AOD — это особый тип кристалла, показатель преломления которого можно точно контролировать с помощью акустических волн, перенаправляя через него лазерный луч. Также они обеспечивают более быстрое лазерное управление, чем это достигается с помощью гальванометров, используемых в обычных TPM.
Соответственно, ученые разработали специальный AOD, используя кристалл диоксида теллура (TeO2), достигнув высокой частоты линейного сканирования. С этим кристаллом лазер сканировал строку в кадре всего за 2,5 микросекунды, что соответствует максимальной частоте сканирования строки 400 кГц. Точно так же исследователи использовали AOD для достижения разумной низкой частоты сканирования в другом направлении.
Чтобы еще больше улучшить адаптируемость микроскопа, ученые добавили возможность переключения на механизм лазерного сканирования на основе гальванометра, когда это необходимо. Это позволило сканировать большие области образца с приемлемым разрешением и скоростью, упрощая поиск небольших областей интереса перед переключением на сканирование AOD.
Команда провела несколько экспериментов по проверке концепции с недавно разработанным TPM. Так, им удалось точно измерить скорость распространения кальция в дендритах нейронов мозга мышей, а также визуализировать траекторию отдельных эритроцитов в кровеносных сосудах.
Источник: https://hightech.fm/

Новый способ модификации двумерных материалов, когда частицы серебра с помощью лазера наносятся на определенную область материалов и тем самым меняют химические свойства материалов, нашли ученые Томского политехнического университета (ТПУ). Это позволит сделать технологию изготовления оптогибких электронных более быстрой и эффективной, сообщили ТАСС в среду в пресс-службе вуза.
Двумерные материалы — это кристаллические пластинки, которые состоят из отдельных слоев толщиной от одного до десятка атомов. Благодаря упорядоченной структуре и малой толщине, они хорошо подходят для создания быстродействующей электроники и, в частности, гибких электронных устройств. Особенность 2D-материалов заключается в том, что у них можно «отщипнуть» один слой, и они будут иметь свойства, отличные от объемного «исходника». Это также делает их перспективными для применения в гибкой электронике.
«Ученые Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий впервые выяснили, что на локальные свойства двумерных материалов влияет взаимная ориентация слоев, особенности их структуры и деформация. Они использовали этот эффект для осаждения наночастиц серебра при помощи лазера в строго заданной области, что, в свою очередь, дает возможность управлять химическими свойствами материалов», — сказано в сообщении.
В качестве образцов они использовали графен, селенид галия и сульфид индия цинка. Для исследования политехники наносили двумерные материалы на подложку из высокоориентированного пиролитического графита также, как это делали нобелевские лауреаты Новоселов и Гейм — с помощью скотча. После чего ученые исследовали свойства этих материалов в неизменной форме, а также проводили лазерную абляцию образцов, то есть удаляли при помощи лазера слой вещества. Затем на образовавшиеся структуры наносили наночастицы серебра.
«Интересно, что при осаждении 2D-материалов на графит, сильное взаимодействие между ними вызывает деформацию двумерного материала даже на неровностях толщиной в один атом. Деформация, в свою очередь, приводит к локальным изменениям реакционной способности. За счет возникновения локальных деформационных дефектов можно избирательно осаждать наночастицы серебра точно на напряженную область, что позволяет менять химические свойства материалов», — приводятся слова руководителя проекта, профессора Рауля Родригеса.
Лазерная обработка и функционализация наночастицами серебра позволяют управлять свойствами двумерных материалов в строго определенных областях. Это расширяет перспективы для их применения в гибкой электронике — технология изготовления устройств может стать проще, быстрее, эффективнее. Кроме того, с помощью такого же способа модификации можно добиться получения свойств, актуальных для оптоэлектроники, катализа и создания фотодетекторов. Исследование проводилось при поддержке гранта Российского фонда научных фундаментальных исследований.
Источник: https://nauka.tass.ru/

Светочувствительный компонент органических фотоэлементов состоит из полимеров и малых молекул. Такие элементы легко производить, они получаются очень тонкими и гибкими. Однако их эффективность все еще намного уступает стандартным кремниевым вариантам. Добавив слой оксида олова, физики из Нидерландов создали органические фотоэлементы с КПД свыше 17%, самым высоким среди материалов такого типа.
Органические фотоэлементы изготавливаются из тонких слоев различных материалов, каждый со своими свойствами, которые размещаются на подложке. Самый важный — светочувствительный слой, преобразующий свет в электрический заряд и отделяющий электроны от дырок, а также запирающий и транспортный слой, который выборочно направляет электроны к электроду.
«В большинстве органических фотоэлементов транспортный слой делают из оксида цинка, прозрачного и проводящего материала, который располагается под активным слоем, — сказал Давид Гарсия Ромеро, один из исследователей. — Оксид цинка обладает большей реакционной способностью, чем оксид олова, поэтому последний должен дать большую стабильность».
Хотя оксид олова уже показал в прошлом высокий потенциал, оптимальный способ его превращения в подходящий транспортный слой для органических фотоэлементов не был найден. Ученые из Университета Гроненгена использовали метод нанесения слоя атомов, который позволяет вырастить слои высокого качества и подходит для массового производства рулонов фотоэлементов, пишет Science Daily.
Испытания показали, что эффективность органических фотоэлементов с атомно-тонким слоем оксида олова достигает 17,2%. Коэффициент заполнения, важный параметр качества солнечного элемента, достиг 79%, то есть рекордных показателей для такого типа структуры.
Более того, оптические и структурные характеристики слоя оксида олова можно настроить изменением температуры нанесения материала. Максимальный КПД был достигнут в элементах, транспортный слой которых был нанесен при температуре 140 градусов Цельсия.
Разработчики убеждены, что высокие показатели нового органического фотоэлемента — отличный отправной пункт для дальнейшего развития устройства, обладающего превосходными механическими свойствами и прозрачностью.
Источник: https://hightech.plus/

Инженеры разработали новую схему вычислений на основе света для снижения энергопотребления от приложений криптовалюты и блокчейна. Устройство описано в журнале Optica. Исследователи из Стэнфордского университета разработали фотонную интегральную схему LightHash, которая генерирует фотонную цепочку блоков для майнинга (добычи) криптовалюты и ведения смарт-контрактов на основе блокчейна.
Масштабирование технологии может привести к десятикратному снижению энергопотребления по сравнению с лучшими современными электронными процессорами, показывает моделирование.
LightHash использует кремниевую фотонику для снижения энергопотребления при сохранении высокого уровня безопасности. Разработка основана на предыдущей версии фотонной схемы HeavyHash, разработанной этой же командой и в настоящее время используемой отдельными криптовалютными сетями.
Для безопасного создания биткойна или эксплуатации его вычислительной сети требуется вычисление хэш-функции, например, SHA256 или Heavyhash, для преобразования входных данных в одно выходное число способом, который слишком сложен для отмены, объясняют инженеры. Именно это шифрование составляет основную часть энергопотребления при майнинге криптовалют.
Исследователи модифицировали Heavyhash для работы с совместно разработанным кремниевым фотонным чипом, несущим сеть программируемых интерферометров 6×6. Анализ показал, что такая модификация позволяет проводить низкоэнергетическую оптическую обработку матричных умножений, которая составляет основу вычисления хэш-функции, с сохранением точности и снижением восприимчивости к аппаратным ошибкам. .em
Чтобы оценить возможность использования LightHash для умножения матриц, исследователи построили оптическую установку для контроля и отслеживания распространения света путем настройки нагревательных элементов и отображения пятен решетки на инфракрасной камере. Они внедрили алгоритм устранения ошибок и установили критерии осуществимости для масштабирования технологии. Результаты эксперимента подтвердили расчетную эффективность технологии.
По сути, мы разработали способ использования аналоговых оптических схем для выполнения операций умножения практически с нулевым рассеиванием мощности, но достаточно точным для использования в схеме цифрового шифрования, – Сунил Пай, один из авторов разработки.
Исследователи отмечают, что для достижения LightHash значительного преимущества перед цифровыми аналогами, фотонную схему необходимо масштабировать до 64 входов и выходов. Они продолжат работу над масштабированием и оптимизацией энергопотребления в фотонной схеме.
Источник: https://www.nanonewsnet.ru/

Исследователи из Стэнфордской лаборатории компьютерной визуализации создали технологию, благодаря которой всего один луч лазерного света, попадающий в комнату, можно использовать, чтобы увидеть, какие физические объекты находятся внутри
Получение изображений вне зоны прямой видимости (сокращенно NLOS) — отнюдь не новая идея. Это умный метод, который на протяжении многих лет совершенствовался в исследовательских лабораториях для создания камер, которые могут заглядывать за углы и генерировать изображения объектов, которые в противном случае не попадали бы в поле зрения объектива или были бы заблокированы рядом препятствий. Раньше в этой технике использовались плоские поверхности, такие как полы или стены, которые находились в пределах прямой видимости как камеры, так и объекта, который мешает обзору.
Работает это так: серия световых импульсов, исходящих от камеры (обычно лазерных) отражается от этих поверхностей, а затем отскакивает от скрытого объекта, прежде чем в конечном итоге вернуться к датчикам камеры. Затем алгоритмы используют информацию о том, сколько времени потребовалось свету для возвращения, на основании чего генерируют изображение того, что камера видеть не может. Разрешение результатов невысокое, но обычно они достаточно подробны, чтобы легко определить, о чем идет речь.
Это невероятно умный метод, и однажды он может стать очень полезной технологией для таких устройств, как автономные автомобили, которые потенциально смогут обнаруживать скрытые опасности, спрятанные за углами, задолго до того, как они будут видны пассажирам в транспортном средстве – это поможет избежать внезапных столкновений. Но современные методы NLOS имеют большое ограничение: они зависят от большой отражающей поверхности, на которой можно измерить световые отражения, исходящие от скрытого объекта. Попытка представить, что находится внутри закрытой комнаты снаружи, раньше была практически неосуществима – но теперь все изменилось.
Метод визуализации через замочную скважину, разработанный исследователями из Лаборатории компьютерной визуализации Стэнфордского университета, назван так по одной простой причине: все, что нужно, чтобы увидеть, что находится внутри закрытой комнаты, — это крошечное отверстие (например, замочная скважина или глазок), достаточно большое, чтобы сквозь него проходил лазерный луч, создавая единственную точку света на стене внутри помещения. Как и в предыдущих экспериментах, лазерный свет отражается от стены, объекта в комнате, а затем снова от стены, при этом бесчисленные фотоны в конечном итоге возвращаются обратно через отверстие в камеру, которая использует однофотонный лавинный фотодетектор для измерения время их возвращения.
Когда объект, спрятанный в комнате, статичен, новая техника визуализации замочной скважины просто не может рассчитать его параметры. Но исследователи обнаружили, что движущийся объект в паре с импульсами света от лазера генерирует достаточно данных, чтобы алгоритм мог создать его изображение. Качество результатов даже хуже, чем при использовании предыдущих методов NLOS, но он по-прежнему обеспечивает достаточно деталей, чтобы сделать обоснованное предположение о размере и форме скрытого объекта. Деревянный манекен в конечном итоге выглядит как «призрачный ангел», но в сочетании с правильно обученным ИИ распознавания изображений определение того, что человек (или объект в форме человека) находился в комнате, кажется вполне вероятным.
Исследование могло бы однажды предоставить полиции или военным возможность оценить риски проникновения в комнату, прежде чем фактически сломать дверь и ворваться внутрь. Новый метод может также предоставить средства для автономных навигационных систем по обнаружению скрытых опасностей задолго до того, как они станут угрозой в ситуациях, для которых предыдущие методы NLOS не подошли бы из-за факторов окружающей среды.
Источник: https://www.techinsider.ru/

Материаловеды из России разработали подход, позволяющий использовать технологии трехмерной печати для производства металлической пены, пригодной для изготовления различных типов фильтров, а также систем виброизоляции, звукоизоляции и теплоотвода. Об этом в среду сообщила пресс-служба «Сколтеха».
«Мы адаптировали к изготовлению пенометалла лазерную наплавку — распространенный метод 3D-печати, который изначально рассчитан на изготовление монолитных деталей либо наплавление покрытий. При этом не требуется никаких модификаций оборудования: всего лишь скорректировав ряд параметров программного обеспечения, мы расширяем возможности 3D-печати», — пояснил старший инженер Центра технологий материалов «Сколтеха» Олег Дубинин, чьи слова приводит пресс-служба вуза.
Дубинин и его коллеги выяснили, что уже существующие системы трехмерной печати, способные работать с металлами, можно приспособить для производства еще одного важного класса промышленных материалов, различных форм пенометалла. Так инженеры называют пористые материалы из различных металлов и их сплавов, похожие по своей структуре на металлическую губку.
Российские ученые выяснили, что аналогичные структуры можно получать при помощи модифицированной версии лазерной наплавки, одной из самых популярных методик трехмерной печати. В ее рамках в принтер подается металлический порошок или смесь из частиц металлов и нейтральных газов, которые впоследствии переплавляются и спекаются при помощи сфокусированного лазерного луча.
Материаловеды из «Сколтеха» обнаружили, что этот же подход можно применить и для получения высококачественного пенометалла, если снизить мощность лазера и откалибровать подачу металлического порошка. Это позволяет получать изделия из металлической пены с четко заданными свойствами и формой, что важно для создания фильтров и антивибрационных материалов.
Как отметил Дубинин, технологию уже успешно использовали для получения пенометалла из титана, алюминия и алюминиевой бронзы. В ближайшее время ученые планируют провести аналогичные опыты с другими металлами и сплавами, что значительно расширит применимость разработанного ими подхода для трехмерной печати металлами.
Источник: https://nauka.tass.ru/