Optisk afstandsmåling ved rekordhøj hastighed

Mikroresonatorbaserede optiske frekvenskamme muliggør meget præcis optisk afstand på 100 millioner målinger pr. Sekund-offentliggørelse i Videnskab :Forskere fra Karlsruhe Institute of Technology (KIT) og École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) har vist den hurtigste afstandsmåling hidtil. Forskerne demonstrerede on-the-fly prøveudtagning af en pistolkugleprofil med mikrometernøjagtighed. Forsøget baserede sig på en solitonfrekvenskam genereret i en chipbaseret optisk mikroresonator fremstillet af siliciumnitrid. Potentielle applikationer omfatter 3D-kameraer i realtid baseret på meget præcise og kompakte LIDAR-systemer.

I årtier, afstandsmåling ved hjælp af lasere, også kendt som LIDAR (laserbaseret lysdetektering og -interval), har været en etableret metode. I dag, optiske afstandsmålemetoder anvendes i en lang række nye applikationer, såsom navigation af autonome objekter, f.eks. droner eller satellitter, eller proceskontrol i smarte fabrikker. Disse applikationer er forbundet med meget strenge krav til målehastighed og nøjagtighed, samt størrelsen på de optiske afstandsmålesystemer. Et team af forskere ledet af professor Christian Koos ved KIT's Institute of Photonics and Quantum Electronics (IPQ) sammen med teamet af professor Tobias Kippenberg ved École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) er begyndt at løse denne udfordring i en fælles aktivitet, sigter mod et koncept for ultrahurtigt og meget præcist LIDAR-system, der skal passe ind i en tændstikæske en dag. Det grundlæggende i dette koncept er nu blevet offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Science. For at demonstrere levedygtigheden af ​​deres tilgang, forskerne brugte en pistolkugle, der fløj med en hastighed på 150 m/s. "Det lykkedes os at prøve overfladestrukturen på projektilet i farten, opnåelse af mikrometernøjagtighed ", Professor Koos kommenterer, "Til denne ende, vi registrerede 100 millioner afstandsværdier i sekundet, svarende til den hidtil hurtigste afstandsmåling påvist. "

Denne demonstration blev muliggjort af en ny type chipskala lyskilde udviklet på EPFL, generering af optiske frekvenskamme. Kammene genereres i optiske mikroresonatorer, små cirkulære strukturer, som tilføres af lys med kontinuerlig bølge fra en laserkilde. Medieret af ikke -lineære optiske processer, laserlyset omdannes til stabile optiske pulser - dissipative Kerr solitons - der danner regelmæssigt et pulstog, der har et optisk bredbåndsspektrum. Konceptet er afgørende afhængig af siliciumnitrid-mikroresonatorer af høj kvalitet med ultra-lave tab, som blev produceret på EPFL's Center for MicroNanotechnology (CMi). "Vi har udviklet optiske resonatorer med lavt tab, hvor ekstremt høje optiske intensiteter kan genereres - en forudsætning for solitonfrekvenskamme, "siger professor Tobias Kippenberg fra EPFL, "Disse såkaldte Kerr-frekvenskamme har hurtigt fundet vej til nye applikationer i løbet af de foregående år."

I deres demonstrationer, forskerne kombinerede fund fra forskellige områder. "I de sidste år har vi har grundigt undersøgt metoder til ultrahurtig kommunikation ved hjælp af chipskala frekvenskammekilder, "Christian Koos fra KIT forklarer." Vi overfører nu disse resultater til et andet forskningsområde - optiske afstandsmålinger. "I 2017, de to teams offentliggjorde allerede en fælles artikel i Nature, rapportering om potentialet for chip-skala soliton kamkilder i optisk telekommunikation. I princippet, optiske frekvenskamme består af lys med et væld af præcist definerede bølgelængder - det optiske spektrum ligner derefter tænderne på en kam. Hvis strukturen af ​​en sådan kam er kendt, inferensmønsteret som følge af superposition af en anden frekvenskam kan bruges til at bestemme den afstand, lyset tilbagelægger. Jo mere bredbånd frekvenskamme, jo højere er målenøjagtigheden. I deres eksperimenter, forskerne brugte to optiske mikrochips til at generere et par næsten identiske frekvenskamme.

Forskerne betragter deres forsøg som en første demonstration af måleteknikken. Selvom den demonstrerede kombination af præcision og hastighed i eksperimentet er en vigtig milepæl i sig selv, forskerne sigter mod at føre arbejdet videre og fjerne de resterende hindringer for teknisk anvendelse. For eksempel, metodens rækkevidde er stadig begrænset til typiske afstande på mindre end 1 m. I øvrigt, nutidens standardprocessorer tillader ikke realtidsevaluering af den store mængde data, der genereres af målingen. Fremtidige aktiviteter vil fokusere på et kompakt design, muliggør meget præcis rækkevidde, mens den passer ind i mængden af ​​en tændstikæske. Siliciumnitridmikroresonatorerne er allerede kommercielt tilgængelige fra EPFLs spin-off LiGENTEC SA, der har specialiseret sig i fremstilling af siliciumnitridbaserede fotoniske integrerede kredsløb (PIC).

De påtænkte sensorer kan betjene en lang række forskellige applikationer, f.eks., til højgennemstrømning in-line styring af mekaniske dele med høj præcision på digitale fabrikker, udskiftning af state-of-the-art inspektion af et lille undersæt af prøver med besværlig afstandsmåling. I øvrigt, LIDAR-konceptet kan bane vejen mod højtydende 3D-kameraer i mikrochipformat, som kan finde udbredte applikationer inden for autonom navigation.