Forschung & Entwicklung

Optische Distanzmessung an schnellen Objekten

Mit Frequenzkämmen aus optischen Mikrochips können 100 Millionen hochgenaue Distanzmessungen pro Sekunde durchgeführt werden. Sogar eine Gewehrkugel lässt sich verfolgen.

Zwei Forscherteams um Prof. Christian Koos am Institut für Photonik und Quantenelektronik (IPQ) des KIT Karlsruhe und Prof. Tobias Kippenberg an der ETH Lausanne (EPFL), Schweiz, arbeiten zurzeit gemeinsam an einem ultraschnellen und hochgenauen Lidar-Konzept, das eines Tages nur die Größe einer Streichholzschachtel einnehmen soll. Die Entfernungsmessung mit Hilfe von Lasern ist seit Jahrzehnten eine etablierte Methode, die meist unter dem Begriff Lidar (Laser-based light detection and ranging) bekannt ist.

Die Leistungsfähigkeit ihres Ansatzes demonstrierten die Forscher mit einer Gewehrkugel, die sich mit einer Geschwindigkeit von 150 Meter pro Sekunde bewegte. Mit dem Verfahren konnte die Oberflächenstruktur des Projektils im Flug mikrometergenau abgetastet werden. Dazu wurden 100 Millionen Distanzwerte pro Sekunde aufgenommen. Laut den Wissenschaftlern ist das die schnellste Entfernungsmessung, die jemals durchgeführt wurde.

Möglich wurde die Demonstration durch eine neuartige, an der EPFL entwickelte Lichtquelle, mit deren Hilfe ein optischer Frequenzkamm erzeugt werden kann. Die breitbandigen Frequenzkämme entstehen in optischen Mikroresonatoren.

Grundsätzlich handelt es sich bei optischen Frequenzkämmen um Licht, das eine Vielzahl präzise definierter Wellenlängen beinhaltet – das Spektrum erinnert in einem Diagramm dargestellt an die Zinken eines Kammes. Kennt man die Struktur eines solchen Kammes, dann kann das Interferenzmuster bei der Überlagerung mit einem zweiten Frequenzkamm genutzt werden, um die vom Licht zurückgelegte Strecke zu bestimmen. Je breitbandiger die eingesetzten Frequenzkämme dabei sind, umso genauer kann die Distanz gemessen werden.

Präzision und Geschwindigkeit der Rekordmessung stehen als wichtiger Meilenstein für sich, doch dabei solle es laut den Forschern nicht bleiben. Ziel ist ein einsatzfähiger Demonstrator. Beispielsweise ist die Reichweite des Verfahrens bisher auf typische Distanzen von unter einem Meter begrenzt. Des Weiteren generiert die Messung eine Datenflut, deren Echtzeitauswertung Standardprozessoren überfordert. Der Fokus der Wissenschaftler liegt vor allem auf einem möglichst kompakten Design.

Die Mikroresonatoren sind bereits kommerziell bei der Firma Ligentec erhältlich, einem Spin-off Unternehmen der EPFL, das sich auf die Herstellung von optischen Mikrochips aus Siliziumnitrid spezialisiert hat (siehe Fachartikel in der photonik 6/2016).

Für einen solchen Sensor gebe es eine ganze Palette von Einsatzmöglichkeiten, erklären die Wissenschaftler und nenne zwei Beispiele: So könnten die Produkte einer digitalen Fabrik noch in der Fertigungsstraße hochgenau auf Fehler untersucht werden, während heute die Prüfung allenfalls bei Stichproben möglich ist und für ein einzelnes Teil mehrere Stunden in Anspruch nehmen kann. Leistungsstarke 3-D-Kameras wären mit dem neuen Lidar-Konzept ebenfalls denkbar und könnten in Zukunft für autonome Navigation auf vielen Feldern Anwendung finden.

Originalveröffentlichung:
[Philipp Trocha et al., Ultrafast Optical Ranging Using Microresonator Soliton Frequency Combs, Science 359 (2018), DOI: 10.1126/science.aao3924]

von mg

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