Mikroresonatorbaserade optiska frekvenskammar möjliggör mycket exakt optiskt avstånd med en hastighet av 100 miljoner mätningar per sekund-publicering i Vetenskap :Forskare vid Karlsruhe Institute of Technology (KIT) och École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) har visat den snabbaste avståndsmätningen hittills. Forskarna demonstrerade on-the-fly provtagning av en pistolkula profil med mikrometer noggrannhet. Experimentet förlitade sig på en soliton frekvenskam genererad i en chipbaserad optisk mikroresonator gjord av kiselnitrid. Potentiella applikationer omfattar 3D-kameror i realtid baserade på mycket exakta och kompakta LIDAR-system.

I årtionden, avståndsmätning med hjälp av lasrar, även känd som LIDAR (laserbaserad ljusdetektion och avståndsintervall), har varit en etablerad metod. I dag, optiska avståndsmätningsmetoder tillämpas i en mängd olika nya applikationer, såsom navigering av autonoma objekt, t.ex. drönare eller satelliter, eller processkontroll i smarta fabriker. Dessa applikationer är förknippade med mycket strikta krav på mäthastighet och noggrannhet, samt storleken på de optiska avståndsmätningssystemen. Ett team av forskare under ledning av professor Christian Koos vid KIT:s Institute of Photonics and Quantum Electronics (IPQ) tillsammans med teamet av professor Tobias Kippenberg vid École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) har börjat ta itu med denna utmaning i en gemensam verksamhet, siktar på ett koncept för ultrasnabbt och mycket exakt LIDAR-system som ska passa in i en tändsticksask en dag. Grunderna i detta koncept har nu publicerats i den vetenskapliga tidskriften Science. För att visa lönsamheten i deras tillvägagångssätt, forskarna använde en pistolkula som flög med en hastighet av 150 m/s. "Vi lyckades prova ytstrukturen på projektilen i farten, uppnå mikrometernoggrannhet ", Professor Koos kommenterar, "För detta ändamål, vi registrerade 100 miljoner avståndsvärden per sekund, motsvarande den hittills snabbaste avståndsmätningen. "

Denna demonstration möjliggjordes av en ny typ av ljuskälla i chipsskala utvecklad vid EPFL, generera optiska frekvenskammar. Kammarna genereras i optiska mikroresonatorer, små cirkulära strukturer, som matas av kontinuerligt vågljus från en laserkälla. Förmedlad av icke-linjära optiska processer, laserljuset omvandlas till stabila optiska pulser – dissipativa Kerr-solitoner – som bildar ett regelbundet pulståg som har ett optiskt bredbandsspektrum. Konceptet är avgörande beroende av högkvalitativa kiselnitridmikroresonatorer med extremt låga förluster, som producerades vid EPFL:s Center for MicroNanotechnology (CMi). "Vi har utvecklat optiska resonatorer med låg förlust, där extremt höga optiska intensiteter kan genereras - en förutsättning för solitonfrekvenskammar, "säger professor Tobias Kippenberg från EPFL, "Dessa så kallade Kerr-frekvenskammar har snabbt hittat till nya applikationer under de föregående åren."

I deras demonstrationer, forskarna kombinerade fynd från olika områden. "Under de senaste åren har vi har utförligt studerat metoder för ultrasnabb kommunikation med hjälp av chipskala frekvenskammkällor, Christian Koos från KIT förklarar. "Vi överför nu dessa resultat till ett annat forskningsområde – optiska avståndsmätningar." 2017, de två lagen publicerade redan en gemensam artikel i Nature, rapportera om potentialen hos chip-skala soliton kamkällor inom optisk telekommunikation. I princip, optiska frekvenskammar består av ljus med en mängd exakt definierade våglängder - det optiska spektrumet liknar då en kams tänder. Om strukturen för en sådan kam är känd, slutresultatmönstret som följer av överlagring av en andra frekvenskam kan användas för att bestämma avståndet som ljuset färdas. Ju mer bredband frekvenskammarna är, desto högre är mätnoggrannheten. I deras experiment, forskarna använde två optiska mikrochips för att generera ett par nästan identiska frekvenskammar.

Forskarna anser att deras experiment är en första demonstration av mättekniken. Även om den visade kombinationen av precision och hastighet i experimentet är en viktig milstolpe i sig, forskarna syftar till att föra arbetet vidare och eliminera de återstående hindren för teknisk tillämpning. Till exempel, metodens räckvidd är fortfarande begränsad till typiska avstånd på mindre än 1 m. Dessutom, dagens standardprocessorer tillåter inte realtidsutvärdering av den stora mängden data som genereras av mätningen. Framtida aktiviteter kommer att fokusera på en kompakt design, möjliggör mycket exakt avstånd samtidigt som den passar in i en tändsticksasks volym. Kiselnitridmikroresonatorerna är redan kommersiellt tillgängliga av EPFL:s spinoff LiGENTEC SA som har specialiserat sig på tillverkning av kiselnitridbaserade fotoniska integrerade kretsar (PIC).

De tänkta sensorerna kan tjäna en mängd olika applikationer, t.ex., för hög genomströmning online-styrning av högprecisionsmekaniska delar i digitala fabriker, ersätter den senaste inspektionen av en liten delmängd av prover med mödosam distansmätning. Dessutom, LIDAR-konceptet kan bana väg mot högpresterande 3D-kameror i mikrochipformat, som kan hitta utbredda tillämpningar inom autonom navigering.