Op microresonatoren gebaseerde optische frequentiekammen maken zeer nauwkeurige optische afstanden mogelijk met een snelheid van 100 miljoen metingen per seconde - publicatie in Wetenschap :Wetenschappers van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) en de École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) hebben de snelste afstandsmeting tot nu toe aangetoond. De onderzoekers demonstreerden on-the-fly bemonstering van een geweerkogelprofiel met micrometernauwkeurigheid. Het experiment was gebaseerd op een soliton-frequentiekam gegenereerd in een op chips gebaseerde optische microresonator gemaakt van siliciumnitride. Mogelijke toepassingen zijn realtime 3D-camera's op basis van zeer nauwkeurige en compacte LIDAR-systemen.

Al decenia, afstandsmetrologie door middel van lasers, ook bekend als LIDAR (laser-based light detection and range), een gevestigde methode is geweest. Vandaag, optische afstandsmeetmethoden worden toegepast in een breed scala aan opkomende toepassingen, zoals navigatie van autonome objecten, bijv. drones of satellieten, of procesbeheersing in slimme fabrieken. Deze toepassingen gaan gepaard met zeer strenge eisen met betrekking tot meetsnelheid en nauwkeurigheid, evenals de grootte van de optische afstandsmeetsystemen. Een team van onderzoekers onder leiding van professor Christian Koos van KIT's Institute of Photonics and Quantum Electronics (IPQ) is samen met het team van professor Tobias Kippenberg van de École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) begonnen deze uitdaging aan te pakken in een gezamenlijke activiteit, gericht op een concept voor een ultrasnel en zeer nauwkeurig LIDAR-systeem dat ooit in een luciferdoosje past. De basis van dit concept is nu gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Science. Om de levensvatbaarheid van hun aanpak aan te tonen, de wetenschappers gebruikten een pistoolkogel die met een snelheid van 150 m/s vloog. "We zijn erin geslaagd om de oppervlaktestructuur van het projectiel on-the-fly te bemonsteren, het bereiken van micrometernauwkeurigheid", Professor Koos commentaar, "Hiervoor, we registreerden 100 miljoen afstandswaarden per seconde, wat overeenkomt met de snelste afstandsmeting die tot nu toe is aangetoond."

Deze demonstratie werd mogelijk gemaakt door een nieuw type lichtbron op chipschaal, ontwikkeld bij EPFL, optische frequentiekammen genereren. De kammen worden gegenereerd in optische microresonatoren, kleine cirkelvormige structuren, die worden gevoed door continu-golflicht van een laserbron. Gemedieerd door niet-lineaire optische processen, het laserlicht wordt omgezet in stabiele optische pulsen – dissipatieve Kerr-solitonen – en vormt een regelmatige pulstrein met een breedbandig optisch spectrum. Het concept is cruciaal gebaseerd op hoogwaardige siliciumnitride-microresonatoren met ultralage verliezen, die werden geproduceerd in EPFL's Center of MicroNanotechnology (CMi). "We hebben optische resonatoren met laag verlies ontwikkeld, waarin extreem hoge optische intensiteiten kunnen worden gegenereerd - een voorwaarde voor soliton-frequentiekammen, " zegt professor Tobias Kippenberg van EPFL, "Deze zogenaamde Kerr-frequentiekammen hebben de afgelopen jaren snel hun weg gevonden naar nieuwe toepassingen."

In hun demonstraties de onderzoekers combineerden bevindingen uit verschillende gebieden. "In de afgelopen jaren, we hebben methoden voor ultrasnelle communicatie uitgebreid bestudeerd met behulp van frequentiekambronnen op chipschaal, Christian Koos van het KIT legt uit. "Deze resultaten brengen we nu over naar een ander onderzoeksgebied:optische afstandsmetingen." de twee teams publiceerden al een gezamenlijk artikel in Nature, rapportage over het potentieel van soliton comb-bronnen op chipschaal in optische telecommunicatie. In principe, optische frequentiekammen bestaan ​​uit licht met een veelvoud aan nauwkeurig gedefinieerde golflengten - het optische spectrum lijkt dan op de tanden van een kam. Als de structuur van zo'n kam bekend is, het gevolgtrekkingspatroon dat resulteert uit superpositie van een tweede frequentiekam kan worden gebruikt om de door het licht afgelegde afstand te bepalen. Hoe meer breedband de frequentiekammen, hoe hoger de meetnauwkeurigheid. In hun experimenten, de onderzoekers gebruikten twee optische microchips om een ​​paar bijna identieke frequentiekammen te genereren.

De wetenschappers beschouwen hun experiment als een eerste demonstratie van de meettechniek. Hoewel de aangetoonde combinatie van precisie en snelheid in het afstandsexperiment een belangrijke mijlpaal op zich is, de onderzoekers streven ernaar het werk verder te brengen en de resterende belemmeringen voor technische toepassing weg te nemen. Bijvoorbeeld, het bereik van de methode is nog steeds beperkt tot typische afstanden van minder dan 1 m. Bovendien, de huidige standaardprocessors laten geen real-time evaluatie toe van de grote hoeveelheid gegevens die door de meting worden gegenereerd. Toekomstige activiteiten zullen gericht zijn op een compact ontwerp, waardoor zeer nauwkeurig bereik mogelijk is terwijl het in het volume van een luciferdoosje past. De siliciumnitride-microresonatoren zijn al in de handel verkrijgbaar door EPFL's spin-off LiGENTEC SA, die gespecialiseerd is in de fabricage van op siliciumnitride gebaseerde fotonische geïntegreerde schakelingen (PIC).

De beoogde sensoren kunnen een breed scala aan toepassingen dienen, bijv. voor high-throughput in-line controle van zeer nauwkeurige mechanische onderdelen in digitale fabrieken, het vervangen van state-of-the-art inspectie van een kleine subset van monsters door moeizame metrologie op afstand. Bovendien, het LIDAR-concept zou het pad kunnen effenen naar hoogwaardige 3D-camera's in microchipformaat, die wijdverbreide toepassingen kunnen vinden in autonome navigatie.