27.02.2018 - Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Optische Distanzmessung mit Rekordgeschwindigkeit

Mit Solitonen-Frequenzkämmen aus optischen Mikrochips lassen sich 100 Millionen hochgenaue Distanzmessungen pro Sekunde durchführen

Mit einer neuen Messmethode hat ein Forscherteam am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gemeinsam mit Kollegen der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) die bislang schnellste Entfernungsmessung demonstriert. 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 3-D-Kameras auf Basis hochpräziser und kompakter LIDAR-Systeme.

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. Optische Distanzmessverfahren halten heute Einzug in vielfältige neue Anwendungen, beispielsweise die Navigation von autonom fliegenden Objekten wie Drohnen oder Satelliten oder die Prozesskontrolle in intelligenten Fabriken. 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) hat diese Herausforderung angenommen. Die Wissenschaftler arbeiten zurzeit an einem ultraschnellen und hochgenauen LIDAR-Konzept, welches eines Tages in einer Streichholzschachtel Platz finden soll. Die Grundlagen hierfür haben sie nun 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 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. 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“.

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.

Ihren Versuch mit der Gewehrkugel sehen die Wissenschaftler als eine erste Demonstration der neuen Messmethode. Präzision und Geschwindigkeit der Rekordmessung stehen als wichtiger Meilenstein für sich, doch dabei soll es nach ihrer Vorstellung nicht bleiben. „Wir müssen zwar noch viele Schwierigkeiten überwinden, aber unser Ziel ist ganz klar ein einsatzfähiger Demonstrator“, erklärt Denis Ganin vom KIT, ebenfalls ein Hauptautor der Studie.  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 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. Die Mikroresonatoren sind bereits kommerziell bei der Firma 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 3-D-Kameras wären mit dem neuen LIDAR-Konzept ebenfalls denkbar und könnten in Zukunft für autonome Navigation auf vielen Feldern Anwendung finden.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • Frequenzkämme
  • Solitonen
  • Mikroresonatoren
  • Siliziumnitrid
Mehr über KIT
  • News

    Edelmetallcluster können Katalysatoren leistungsfähig machen und Ressourcen schonen

    Katalysatoren aus Edelmetallen werden weltweit milliardenfach eingesetzt, etwa bei der Herstellung von Chemikalien, zur Energieerzeugung und zur Aufreinigung der Luft. Die dafür benötigten Rohstoffe sind jedoch teuer und ihre Vorkommen begrenzt. Sie optimal zu nutzen, ist das Ziel von Katal ... mehr

    Effiziente Gastrennung dank poröser Flüssigkeiten

    Ein Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) hat gemeinsam mit Partnern „poröse Flüssigkeiten“ entwickelt: In einem Lösemittel schweben – fein verteilt – Nanoteilchen, die Gasmoleküle verschiedener Größen voneinander trennen. Denn die Teilchen besitzen leere Poren, durch dere ... mehr

    Anodenmaterial für sichere und langlebige Batterien

    Ein vielversprechendes Anodenmaterial für künftige Hochleistungsbatterien haben Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und an der Jilin-Universität in Changchun/China untersucht: Lithium-Lanthan-Titanat mit Perowskit-Kristallstruktur (LLTO). Wie das Team in der Zeitschrift Na ... mehr

  • Videos

    Bioliq: Energiegewinnung aus Reststoffen – komplette Prozesskette läuft

    Die bioliq®-Pilotanlage am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) läuft erfolgreich über die gesamte Prozesskette. Alle Stufen des Verfahrens sind nun miteinander verbunden: Schnellpyrolyse, Hochdruck-Flugstromvergasung, Heißgasreinigung und Synthese. Durch bioliq® wird Restbiomasse in u ... mehr

    Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien erhöhen

    Lithium-Batterien sollten bei Transport, Montage und im Betrieb wirklich sicher sein. KIT-Wissenschaftler erklären, welche Faktoren dazu beitragen, die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien zu erhöhen. mehr

    Kleben wie ein Gecko: selbstreinigend und haftsicher

    Geckos haben Klebestreifen eines voraus: Selbst nach wiederholtem Kontakt mit Schmutz und Staub kleben ihre Füße noch auf glatten Flächen einwandfrei. Forscher des KIT und der Carnegie Mellon Universität in Pittsburgh haben nun den ersten Klebstreifen entwickelt, der nicht nur genauso hafts ... mehr

  • Forschungsinstitute

    Institut für Funktionelle Grenzflächen (IFG) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

    Forschungsgegenstand des Instituts für Funktionelle Grenzflächen (IFG) ist das Studium molekularer Interaktionen an fest/gas und fest/flüssig Grenzflächen. Aus der Untersuchung von Grundlagenprozessen auf der Nano-Ebene gewonnene Erkenntnisse werden konsequent auf die Makro-Ebene technische ... mehr

    Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

    Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist eine Körperschaft des öffentlichen Rechts und staatliche Einrichtung des Landes Baden-Württemberg. Es nimmt sowohl die Mission einer Universität als auch die Mission eines nationalen Forschungszentrums in der Helmholtz-Gemeinschaft wahr. Das ... mehr

  • q&more Artikel

    Analytische Quantifizierung von Gluten in Lebensmitteln

    Der Gesetzgebung zufolge dürfen Lebensmittel, die mit einem Glutenfrei-Symbol versehen sind, nicht mehr als 20 mg Gluten pro Kilogramm enthalten, was für Zöliakie-Betroffene aus gesundheitlichen Gründen lebenswichtig ist. mehr

    Bewertung der Lungentoxizität von Luftschadstoffen

    Die aktuellen Diskussionen zu Fahrverboten in europäischen Städten zeigen einerseits den hohen Stellenwert, den die Bevölkerung der Luftqualität zumisst, und andererseits den Mangel an Methoden, die von Luftschadstoffen ausgehende Beeinträchtigung der menschlichen Gesundheit direkt zu bewerten. mehr

    Biochemie in der Mikrowelle

    Die Entwicklung neuer Pharmazeutika beruht auf dem zunehmenden Verständnis intrazellulärer Vorgänge. Insbesondere durch die Erforschung von Ligand-Rezeptor-Wechselwirkungen können Wirkstoffe ­besser angepasst werden. Um Medikamente an ihren Wirkungsort ­zu bringen, werden sog. „Carrier“-Mol ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Katharina Scherf

    Katharina Scherf, Jahrgang 1985, studierte Lebensmittelchemie an der Technischen Universität München (TUM). Ihre Promotion und Habilitation erwarb sie ebenfalls an der TUM und war als leitende Wissenschaftlerin am Leibniz-Institut für Lebensmittel-Systembiologie an der TUM tätig. 2019 wurde ... mehr

    Majlinda Xhaferaj

    Majlinda Xhaferaj, Jahrgang 1992, schloss ihr Lebensmittelchemiestudium im Jahr 2018 am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ab. Seit 2019 ist sie Doktorandin in der Abteilung für Bioaktive und Funktionelle Lebensmittelinhaltsstoffe mit dem Schwerpunkt der Glutenanalytik zur Verbesseru ... mehr

    Dipl. Ing. Sonja Mülhopt

    Sonja Mülhopt erwarb 2000 ihr Diplom für Maschinenbau an der Berufsakademie (heute DHBW) Mannheim. Die begleitende Ausbildung durchlief sie am Forschungszentrum Karlsruhe, dem heutigen Karlsruher Institut für Technologie (KIT). 2014 erhielt sie den Master of Science für Chemieingenieurwesen ... mehr