[논문 리뷰] Fairy Lights in Femtoseconds: Aerial and Volumetric Graphics Rendered by Focused Femtosecond Laser Combined with Computational Holographic Fields

Yoichi Ochiai, Kota Kumagai외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 22.

Advanced Optical Imaging Technologies참고 문헌 34인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 집중된 펌토세컨드 레이저와 계산형 히올로그램 필드를 조합하여 공기 중 및 부피형 3차원 그래픽스를 생성하는 새로운 방법을 제시한다. 정밀한 3차원 위치에서 레이저 유도 플라즈마를 이용함으로써 시스템은 최대 초당 200,000점의 높은 시공간 해상도를 달성하여 실시간, 안전하고 확장 가능한 부피형 디스플레이를 가능하게 하며, 다양한 매체에서 형광 및 미세버블 기반 렲링을 위한 잠재적 응용을 제공한다.

ABSTRACT

We present a method of rendering aerial and volumetric graphics using femtosecond lasers. A high-intensity laser excites a physical matter to emit light at an arbitrary 3D position. Popular applications can then be explored especially since plasma induced by a femtosecond laser is safer than that generated by a nanosecond laser. There are two methods of rendering graphics with a femtosecond laser in air: Producing holograms using spatial light modulation technology, and scanning of a laser beam by a galvano mirror. The holograms and workspace of the system proposed here occupy a volume of up to 1 cm^3; however, this size is scalable depending on the optical devices and their setup. This paper provides details of the principles, system setup, and experimental evaluation, and discussions on scalability, design space, and applications of this system. We tested two laser sources: an adjustable (30-100 fs) laser which projects up to 1,000 pulses per second at energy up to 7 mJ per pulse, and a 269-fs laser which projects up to 200,000 pulses per second at an energy up to 50 uJ per pulse. We confirmed that the spatiotemporal resolution of volumetric displays, implemented with these laser sources, is 4,000 and 200,000 dots per second. Although we focus on laser-induced plasma in air, the discussion presented here is also applicable to other rendering principles such as fluorescence and microbubble in solid/liquid materials.

연구 동기 및 목표

• 펌토세컨드 레이저 유도 플라즈마를 이용한 실시간 공기 중 및 부피형 3차원 그래픽스의 안전하고 확장 가능한 방법 개발.
• 나노세컨드 레이저의 한계를 극복하기 위해 펌토세컨드 펄스의 낮은 에너지와 높은 정밀도를 활용.
• 계산형 히올로그래피 및 빔 스캐닝 기술을 이용해 3차원 공간에서 고해상도의 시공간 해상도 달성.
• 최적화된 광학 부품을 통해 1 cm³를 초월하는 부피형 디스플레이의 설계 공간 및 확장 가능성 탐색.
• 고체 및 액체 재료에서 형광 및 미세버블 형성과 같은 다른 물리적 현상으로의 방법 확장 가능성 탐색.

제안 방법

• 시스템은 특정 3차원 좌표에서 집중된 펌토세컨드 레이저를 이용해 공기 중에 플라즈마를 생성하고, 이로 인해 가시광선 방출을 유도한다.
• 공간적 레이저 웨이브프론트를 조절하기 위해 공간적 빛 조절 장치를 사용하여 정밀한 3차원 빛 방출을 위한 히올로그램 패턴을 형성한다.
• 동적 부피형 그래픽스 렌더링을 위해 갈바노 미러를 사용해 레이저 빔을 작업 영역 전역으로 스캔한다.
• 두 종류의 레이저 소스를 시험: 1,000 Hz에서 30–100 fs 펄스를 가지며 최대 7 mJ 펄스당, 그리고 200,000 Hz에서 269 fs 펄스를 가지며 50 µJ 펄스당.
• 계산형 히올로그램 필드를 계산하여 레이저 빔의 위상과 진폭을 제어함으로써 빛 방출의 정확한 3차원 위치 제어를 가능하게 한다.
• 렌즈 및 거울 구성 조정을 통해 광학 장치의 설계를 조정하여 디스플레이 부피를 1 cm³ 이상 확장할 수 있도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 펌토세컨드 레이저 유도 플라즈마를 이용해 실시간 기능을 갖춘 안정적이고 고해상도의 3차원 부피형 그래픽스를 생성할 수 있는가?
• RQ2 펌토세컨드 레이저와 계산형 히올로그래피를 사용한 3차원 디스플레이 시스템에서 도달 가능한 최대 시공간 해상도는 얼마인가?
• RQ3 부피형 디스플레이 응용 분야에서 나노세컨드 레이저 대비 펌토세컨드 레이저 사용이 안전성과 정밀도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 광학 부품 및 시스템 구성 최적화를 통해 디스플레이 부피를 어느 정도까지 확장할 수 있는가?
• RQ5 동일한 원리를 고체 또는 액체 매체에서 형광 또는 미세버블 형성과 같은 다른 빛 방출 메커니즘으로 확장할 수 있는가?

주요 결과

• 30–100 fs 레이저 소스를 사용하여 1,000 펄스/초 속도로 시스템은 4,000 점/초의 시공간 해상도를 달성했다.
• 200,000 펄스/초 속도로 작동하는 269-fs 레이저 소스를 사용하여 시스템은 최대 200,000 점/초의 해상도에 도달했다.
• 공기 중 레이저 유도 플라즈마가 고정밀도로 정밀한 3차원 위치에서 가시광선 방출을 유도하였으며, 열 손상이 최소한이었다.
• 광학 부품 조정 및 빔 형상 조절 기술을 통해 시스템은 1 cm³를 초월하는 확장성을 입증했다.
• 이 방법은 고체 및 액체 재료에서 형광 및 미세버블 형성과 같은 다른 물리적 빛 방출 메커니즘으로도 확장 가능하다.
• 펌토세컨드 레이저 사용은 나노세컨드 레이저 기반 시스템 대비 안전성 향상과 부작용 감소를 크게 향상시켰다.