Pensilvanya Üniversitesi, Tek Bir Aynayla Işığı Üç Boyutta Kontrol Eden Mikroyapı Geliştirdi.

Amerika Birleşik Devletleri’nde Pennsylvania State Üniversitesi’nde görevli araştırmacılar, tek bir ayna ile ışığı üç boyutta kontrol edebilen mikroskobik bir yansıma ayası geliştirdi. Geleneksel olarak birden fazla optik bileşenin gerektirdiği bu işlemi gerçekleştiren mikroyapılı mekanik sistem (MEMS) tabanlı ayna, lazer ışını iki yönde yönlendirirken aynı anda farklı derinliklerde odak noktasını değiştirme yeteneğine sahip. Bu teknoloji, optik sistemlerin genel boyutunu ve ağırlığını önemli ölçüde azaltma ve daha hızlı, daha çok yönlü sistemler geliştirme imkanı sunuyor.

İki Yönlü Eğilim ve Değişken Odak

Lazer ışını üç boyutta kontrol etmek, yalnızca sağa-sola hareket ettirmekten daha karmaşık bir süreçtir. Geleneksel optik sistemlerde ışını yönlendirmek ve odak noktasını ayarlamak genellikle ayrı bileşenler gerektirir. Pennsylvania State Üniversitesi’nin geliştirdiği ayna ise bu iki işlevi tek bir minik aynada birleştiriyor. Mikroyapılı ayna iki yönde eğilebiliyor ve böylece lazer ışını bir alanda taranabiliyor. Aynı zamanda ayna, yansıtıcı yüzeyinin şeklini değiştirebiliyor. Aynayı daha düz ya da daha çukur hale getirmek, yansıyan ışığın odaklandığı noktayı değiştiriyor.

“Tek bir ayna ile ışığı üç boyutta hızlı bir şekilde kontrol edebilmek, optik sistemlerin genel boyut ve ağırlığında önemli bir iyileştirme sunuyor. Bu alanlar hepsi birbirine güçlü biçimde bağlı olsa da, en büyük potansiyeli nörobiyolojide görüyorum. Sistem, nörobiyolojide aktif konularda çalışmalar için daha küçük, monte edilebilir mini mikroskoplara yol açabilir. Ayrıca artırılmış gerçeklik için daha hafif gözlükler ve kulaklıklar geliştirmeye de katkı sağlayabilir.”

Hunter Shillingburg, elektrik mühendisliği doktora öğrencisi ve Microsystems & Nanoengineering dergisinde yayımlanan çalışmanın birinci yazarı

Mikroyapılı Mekanik Sistemin Kalbi

Küçük cihazın merkezinde, mikroyapılı mekanik sistem (MEMS) tabanlı mikroyapılı ayna yer alıyor. MEMS, bilgisayar çiplerinin üretimi için kullanılan birçok üretim yöntemiyle çipler üzerinde inşa edilen minik makinelerdir. Elektronik bileşenlerin yanı sıra fiziksel olarak hareket etmeye ya da bükülme tasarlanmış mikroskobik parçaları da içerebilirler. Bu cihazda, bu parçalar minik bir aynayı eğiyor ve yeniden şekillendiriyor.

“Bir MEMS mikroyapılı ayna, aslında hareket edebilen bir ayna demek. Normal bir ayna gibi, üzerine lazer ışını yansıttığınızda ışın aynanın yüzeyinden yansır ve yansıyan ışın noktası aynayı ileri-geri eğerek konumlandırılabilir.”

Hunter Shillingburg

Aynayı iki yönde eğebilmesi, ışığı bir alanda taramasını sağlıyor. Ancak tipik bir tarayıcı aynasından farklı olarak, yansıtıcı yüzeyinin şeklini de değiştirebiliyor. Aynayı daha düz ya da daha kase biçimli hale getirmek, yansıyan ışığın odaklandığı yeri değiştiriyor. Başka bir deyişle, ışığı yan yana yönlendirerek ve mikrosaniye hızında odak derinliğini değiştirerek, tarayıcı ışının gerçek zamanlı üç boyutlu uzaysal kontrolünü sağlıyor.

Hız ve Uygulama Alanları

Bu hareketlerin mümkün olması için araştırmacılar piezoelektrik bir malzeme olan alüminyum nitrit kullandı. İnce alüminyum nitrit katmanlarına voltaj uygulandığında esneyerek aynayı eğiyor ya da yeniden şekillendiriyor. Aynanın etrafındaki minik yapılar eğilimini kontrol ederken, başka bir piezoelektrik katman aynanın kendisinin şeklini değiştiriyor. Ayna yaklaşık bir milimetre boyutunda olduğu için hızlı tepki veriyor. Araştırmacılar, aynanın odak noktasını mikrosaniye hızında, yani milyonda bir saniyenin altında değiştirildiğini ölçtü. Bu hız, üç boyutlu uzayda hızlı tarama gerektiren teknolojilerde faydalı olabilir; örneğin kuantum kontrolü, yapılandırılmış aydınlatma mikroskobu ve optogenetik gibi alanlarda.