Optische Distanzmessung mit 150 m/s ist aktuell Rekordgeschwindigkeit

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Wissenschaftler haben eine Messmethode entwickelt, um Distanzen hochgenau zu messen. Damit sollen sich kompakte LIDAR-Systeme bauen lassen.

Forscher des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben zusammen mit Kollegen der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) die bislang schnellste Entfernungsmessung entwickelt. Den Forschern gelang es, das Profil einer Gewehrkugel im Flug mikrometergenau zu bestimmen. Sie nutzten dazu erstmals einen Solitonen-Frequenzkamm, der mittels eines Mikroresonators auf einem optischen Chip erzeugt wurde. Eine mögliche Anwendung sind echtzeitfähige 3D-Kameras auf Basis hochpräziser und kompakter LIDAR-Systeme.

Entfernungen mit Lasern zu bestimmen ist seit Jahrzehnten eine etablierte Methode, die meist unter dem Begriff LIDAR (Laserbased Light Detection and Ranging) bekannt ist. Optische Distanzmessverfahren halten Einzug in ganz unterschiedliche Anwendungen, beispielsweise die Navigation von autonom fliegenden Objekten wie Drohnen oder Satelliten oder die Prozesskontrolle in intelligenten Fabriken.

Gemessen Geschwindigkeit: 150 m/s

Diese neuen Anwendungen stellen komplexe Anforderungen an die Geschwindigkeit, die Genauigkeit und die Größe von optischen Distanzmesssystemen. Ein Verbund aus zwei Forscherteams rund um Professor Christian Koos am Institut für Photonik und Quantenelektronik (IPQ) des KIT und Professor Tobias Kippenberg an der ETH Lausanne (EPFL) arbeiten zurzeit an einem ultraschnellen und hochgenauen LIDAR-Konzept, welches eines Tages in einer Streichholzschachtel Platz finden soll. Die Grundlagen haben sie in der Fachzeitschrift Science vorgestellt.

Die Leistungsfähigkeit ihres Ansatzes demonstrierten die Forscher mit einer Gewehrkugel, die sich mit einer Geschwindigkeit von 150 Meter pro Sekunde bewegte. „Mit unserem Verfahren konnten wir die Oberflächenstruktur des Projektils im Flug mikrometergenau abtasten“, sagt Philipp Trocha, einer der Hauptautoren der Studie. „Dazu wurden 100 Millionen Distanzwerte pro Sekunde aufgenommen – das ist die schnellste Entfernungsmessung, die jemals ermittelt wurde.“

Verlustarme optische Mikroresonatoren

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. Dabei handelt es sich um winzige kreisrunde Strukturen, in die Licht aus einer Laserquelle eingespeist wird. In diesen Mikroresonatoren entstehen aus dem kontinuierlich zugeführten Laserlicht Solitonen, spezielle „Wellenpakete“, die einen regelmäßigen Zug aus ultra-kurzen optischen Pulsen bilden und damit ein breitbandiges Spektrum an Wellenlängen besitzen.

Die eingesetzten Mikroresonatoren wurden an der EPFL hergestellt, wo optische Strukturen aus Siliziumnitrid erforscht werden. „Wir haben äußerst verlustarme optische Mikroresonatoren entwickelt, in denen sich sehr hohe optische Intensitäten erzeugen lassen – eine Grundvoraussetzung für die Solitonen-Frequenzkämme“, sagt Professor Tobias Kippenberg von der EPFL, „diese Frequenzkämme haben in den letzten Jahren rasant an neuen Einsatzmöglichkeiten gewonnen“.

Optische Frequenzkämme und genaue Distanz

Die Forscher kombinieren bei ihren Arbeiten Erkenntnisse aus verschiedenen Bereichen. „Wir haben uns in den letzten Jahren intensiv mit Verfahren zur ultra-schnellen Terabit-Kommunikation mit Solitonen-Frequenzkämmen aus Mikroresonatoren befasst“, erklärt Christian Koos vom KIT. „Diese Erfahrungen haben wir hier auf eines unserer anderen Forschungsgebiete übertragen – die optische Distanzmessung.“ Im Rahmen einer gemeinsam im Jahr 2017 publizierten Arbeit im Fachjournal Nature gelang es den beiden Forschungsgruppen bereits, Solitonen aus Mikroresonatoren zur optischen Telekommunikation einzusetzen.

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.

Die Messung generiert eine Datenflut, deren Echtzeitauswertung Standardprozessoren überfordert. Der Fokus liegt vor allem auf einem möglichst kompakten Design – der Sensor soll nicht nur hochgenaue Messergebnisse liefern, sondern gleichzeitig auch nicht viel größer als eine Streichholzschachtel sein.

Verschiedene Einsatzszenarien

Die Mikroresonatoren sind bereits kommerziell bei Ligentec erhältlich, einem Spin-off Unternehmen der EPFL, welches sich auf die Herstellung von optischen Mikrochips aus Siliziumnitrid spezialisiert hat. Für einen solchen Sensor gebe es eine ganze Palette von

Einsatzmöglichkeiten, erklärt Denis Ganin. 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 3D-Kameras wären mit dem neuen LIDAR-Konzept ebenfalls denkbar und könnten in Zukunft für autonome Navigation auf vielen Feldern Anwendung finden.

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