新方法|德国和瑞士高校联合开发出以创纪录高速实现的光学距离测量，未来应用前景广阔

日前，来自德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）和瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究团队证明了他们称之为“目前为止最快的距离测量”。

研究人员在千分尺的精度下演示了150m / s超速即时采样。该实验依赖于由氮化硅制成的基于芯片的光学微谐振器中产生的孤子频率梳。潜在的应用包括基于高度精确和紧凑的LIDAR系统的实时3D相机。

数十年来，基于激光器（也称为LIDAR（基于激光的光检测和测距））的距离测量已经是一种主流方法。光学距离测量方法正在被广泛应用于各种新兴应用中，例如无人机或卫星等自主物体的导航，智能工厂中的过程控制等。这些应用与测量速度和精度以及光学距离测量系统的大小有关。

由KIT光子学和量子电子研究所的Christian Koos教授领导的研究小组连同EPFL的Tobias Kippenberg教授团队一起应对这一挑战，共同开展一项活动，旨在实现火柴盒大小的超快速和高精度激光雷达系统。

图为用激光束测量超速子弹

比高速子弹更快

为了证明团队方法的可行性，科学家们使用了一种以150米/秒的速度飞行的子弹。Koos教授表示：“我们成功地对弹丸的表面结构进行了实时采样，实现了微米级精度，为此，我们每秒记录1亿个距离值，相当于目前证明的最快距离测量。”

该演示由EPFL开发的新型芯片级光源实现，可生成光频梳。光频梳由光学微谐振器产生，微小的圆形结构由来自激光源的连续波光提供。通过非线性光学过程介导，激光被转换成稳定的光脉冲—耗散的克尔孤子—形成具有宽带光谱的规则脉冲序列。

氮化硅微谐振腔

这一概念主要依赖于具有超低损耗的高质量氮化硅微谐振器，这些微谐振器是EPFL微纳米技术中心研发的。 Kippenberg教授表示：“我们已经开发出低损耗的光学谐振器，可以产生极高的光强—这是孤子频率梳的先决条件。这些所谓的克尔频率梳已经迅速拓展到了近几年的新应用。”

研究人员结合了不同领域的研究成果。Koos教授表示：“在过去的几年里，我们已经广泛研究了使用芯片级频梳源的超快速通信方法，我们现在将这些结果转移到另一个研究领域，即光学距离测量。”

下一步工作

虽然在测距实验中证实的精度和速度的突破是一个重要的里程碑，但研究人员的目标是进一步推进这项工作，并消除技术应用方面的其他障碍。例如，该方法的范围仍然局限于不到一米左右的距离。

而且，今天的标准处理器不允许实时评估测量产生的大量数据。未来的目标将集中在紧凑的设计上，从而实现高精度测距，同时实现火柴盒大小的体积。

研究团队的目标是该传感器可用于各种应用，例如数字工厂中的高精度机械部件高吞吐量在线控制，用繁琐的距离度量衡取代现有技术的一小部分样品的检测。 研究人员补充说，激光雷达概念可能为微芯片格式的高性能3D相机铺平道路，这可能会在自主导航中找到广泛的应用。