更高速度的光學測距技術
微諧振器為基礎的光學頻率梳可以實現高精度光學測距，測量速度能達到每秒1億次，這一研究成果已經發表在《科學（Science）》雜誌，來自卡爾斯魯厄科學技術研究所(KIT)和洛桑聯邦理工學院（EPFL）的科學家實現了這一研究成果，實驗所獲得的測距速度是目前研究領域的最高值。研究人員演示了一種微米精度的子彈剖面飛行取樣。實驗依賴於在基於晶元的光學微諧振器由氮化硅產生孤子頻率梳。潛在的應用包括基於高精度和緊湊的激光雷達系統的實時三維攝像機。
幾十年來，激光測距技術，也被稱為激光雷達（基於激光的光探測和測距），已經成為公認的方法。今天，光學測距方法正在應用於各種新興應用中，如導航自主對象，如無人駕駛飛機或衛星，或在智能工廠的過程式控制制。這些應用程序對測量速度和精度以及光學測距系統的尺寸都有非常嚴格的要求。
來自卡爾斯魯厄科學技術研究所的Christian Koos教授領導研究小組和來自洛桑聯邦理工學院的Tobias Kippenberg教授的團隊已經開始合作應對這一挑戰，針對超快速、高精度的激光雷達系統小型化研究。這個概念的基礎研究現在已經發表在《科學》雜誌上。
為了證明這種方法的可行性，科學家們利用飛行的子彈進行驗證，子彈的飛行速度約為150米/秒，「我們設法對飛行的子彈的表面結構進行取樣，並實現微米的精度」，Koos教授說道，「為此，我們每一秒會記錄1億次距離值，這是到目前為止所記錄的最快距離測量。」
這次演示是由一個瑞士洛桑聯邦理工學院開發的新的晶元級光源輔助進行的，並由此產生光學頻率梳。光學頻率梳是在光學微腔中產生的，是一個小小的圓形結構，這是從激光源產生的連續光波。在非線性光學過程的作用下，激光被轉換成穩定的光脈衝，併產生耗散克爾孤子，形成具有寬頻光譜的規則脈衝序列。
這一創意實現的關鍵依賴於具有超低損耗高品質的氮化硅微諧振器，這種諧振器是在瑞士洛桑聯邦理工學院的微型納米研究中心製作而成。「我們已經開發了低損耗的光學諧振腔，在這極高光的強度可以產生，這是孤子頻率梳的前提，」Tobias Kippenberg說，他是理工學院的教授，「相比前一年，這些所謂的克爾頻率梳會迅速找到自己的方式進入新的應用領域。」
在他們的演示中，研究人員將不同領域的研究結果結合起來。「在過去的幾年中，我們已經使用晶元規模的頻率梳源進行了廣泛的超快通信研究，」Christian Koos解釋說。「我們現在將這些結果轉移到另一個研究領域——光學距離測量中。」2017年，這兩個小組已經發表了一篇聯合性質的文章，報告了光通信中晶元級孤子梳狀源的潛力。原則上，頻率梳會包含擁有眾多的精確定義的波長，其中光的頻率光譜就像梳子的齒一樣。」
如果已知這種梳狀結構，則可以利用由第二頻率梳疊加而產生的推斷模式來確定光所經過的距離。頻率梳越寬，測量精度越高。在他們的實驗中，研究人員使用了兩個光學微晶元來產生一對幾乎相同的頻率梳。
科學家們認為他們的實驗是對這種新型測量技術的首次演示。雖然在測距實驗中所表現出的精度和速度的結合是一個重要的里程碑，但研究人員的目的是進一步開展工作，消除技術應用中的其他障礙。例如，該方法的範圍仍然限於不到1米的典型距離。
此外，今天的標準處理器不允許對測量產生的大量數據進行實時評估。未來的活動將集中在一個緊湊的設計，使高精度測距而融入一個火柴盒大小的體積中。氮化硅微諧振器經過瑞士聯邦理工學院的研究已經有了商業化的產品，用於專門的基於光子集成電路（PIC）。
設想中的感測器可以為各種各樣的應用提供服務，例如，在數字工廠中對高精度機械部件進行高通量在線控制，取代費力的距離計量對微小樣本的檢查。此外，激光雷達的概念可能由此鋪平了道路，以高性能的3-D相機的微晶元格式，這可能會廣泛應用於自主導航技術中。
來源：https://phys.org/news/2018-02-optical-distance-record-high.html
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