Solitonen-Frequenzkämme - Weltschnellste Entfernungsmessung

Forscher gelang es Entfernungen mit bis zu 100 Millionen Messungen pro Sekunde mittels Laserpulsen zu ermitteln und erzielten hierbei eine Genauigkeit im Mikrometerbereich.

Radarfallen kennt jeder Autofahrer. Sie bestimmen mittels elektromagnetischen Wellen im Radiofrequenzbereich die Geschwindigkeit eines Fahrzeuges und schießen eventuell teure Fotos.
Ein ähnliches Verfahren ist das Lidar. Ähnlich wie Radar nutzt Lidar elektromagnetische Wellen zur Entfernungsmessung. Jedoch statt Frequenzen aus dem Radiobereich, nutzt es Frequenzen aus dem sichtbaren Bereich - Laserlicht.

(Foto: Laila Tkotz, KIT)

Einem Forscherteam am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gelang es nun in Kooperation mit Kollegen an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne in der Schweiz (EPFL) ein auf Lidar basierendes Verfahren zur Entfernungsmessung zu entwickeln, welches bis zu 100 Millionen Messungen pro Sekunde ermöglicht. Hierbei erzielten sie eine Bildauflösung im Mikrometerbereich - das entspricht in etwa der Größe einer Bakterie.

Hierfür entwickelten die beiden Teams um Professor Christian Koos am Institut für Photonik und Quantenelektronik des KIT und um Professor Tobias Kippenberg an der EPFL einen besonderen Laser, mit dessen Hilfe sie Frequenzkämme erzeugen konnten.

Frequenzkamm

Der Frequenzkamm ist ein besonderes Laserlicht und ein Werkzeug der Frequenzmessung. Das Licht besteht aus mehreren besonderen Arten Wellen, den Solitonen.
Würde man die Farbe eines solchen Lasers bestimmen wollen, sähe man nur "weißes" Licht: Weißes Licht ist nichts anderes als eine Mischung aus allen Farben des sichtbaren Lichtes. Der Frequenzkamm besteht aus vielen verschiedenen "Farben".

Die Besonderheit des Frequenzkamms ist nun sein elektromagnetisches Frequenzspektrum. Dieses besteht nur aus vielen "Zinken", den Solitonen, die in einem gleichbleibenden Abstand zueinander liegen. Damit ähnelt das Schaubild des elektromagnetischen Spektrums von einem Frequenzkamm dem Aussehen eines Kammes.

Solitonen

Solitonen sind eine bestimmte Art von Wellen. Ein Soliton ist ein einzelnes, alleinstehendes Wellenpaket, welches aus vielen harmonischen Wellen besteht. Die Besonderheit der Solitonen gegenüber gewöhnlichen Wellen: Ihre Form ist äußerst robust gegenüber Kollisionen. So überlagern sie sich nicht mit anderen Solitonen, sondern überholen bzw. durchqueren diese lediglich.

Ein Tsunami ist beispielsweise ein Soliton im Wasser: Er besitzt einen äußert steilen Wellenberg, ein typisches Merkmal eines Solitons.
(Foto: https://pixabay.com/de/welle-atlantik-pazifik-ozean-1913559/ veröffentlicht unter CC0 Creative Commons)

Durch die Verwendung von zwei Frequenzkämmen und der Kenntnis deren genauen Struktur, lässt sich nun aus deren Überlagerungsbild - dem Interferenzmuster - die zurückgelegte Entfernung des Laserstrahls bestimmen.

Von der Gewährkugel zum autonomen Fahrern

Zur Demonstration des neu entwickelten Lasers vermaßen die Forscher eine Gewährkugel im Flug. Das mit 150 m/s (= 540 km/h) schnelle Projektil flog durch den Laserstrahl des neu entwickelten Lasers durch und wurde dabei etwa bis zu einer Million mal abgetastet.

(Grafik: Christian Grupe, Philipp Trocha, KIT)

Mögliche Anwendungsfälle für diese superschnelle Vermessung könnte u. a. die dreidimensionale Erfassung der Umgebung in Echtzeit sein, beispielsweise bei autonomen Fahrzeugen.

Quellen

• https://www.kit.edu/kit/pi_2018_019_science-optische-distanzmessung-mit-rekordgeschwindigkeit.php
• https://science.sciencemag.org/content/359/6378/887
• https://imaginary.org/de/hands-on/solitonen-und-tsunamis
• https://www.imm.dtu.dk/math_phys/Solitons.html
• https://de.wikipedia.org/wiki/Frequenzkamm
• https://de.wikipedia.org/wiki/Soliton
• Lizenzquelle zu KIT-Bilder: https://www.kit.edu/kit/mediathek.php
  Quellen abgerufen am 02.03.2018

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