Создан новый метод оптического измерения расстояния, работающий с рекордно высокой скоростью - «Наука и технологии»

Основанная на микрорезонаторах оптическая частотная гребенка позволяет осуществлять чрезвычайно точное измерение расстояний с рекордной на сегодняшний день скоростью, которая составляет 100 миллионов измерений в секунду. В качестве демонстрации работы нового метода исследователи из Технологического института Карлсруэ (Karlsruhe Institute of Technology, KIT) и Швейцарского федерального политехнического университета Лозанны (Swiss Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, EPFL) продемонстрировали процесс сканирования поверхности пули, летящей со скоростью 160 метров в секунду, при этом, точность сканирования была не хуже одного микрометра в любой момент времени. Новая технология полагается на солитронную оптическую частотную гребенку, созданную на основе микрорезонатроа, изготовленного на поверхности чипа из нитрида кремния. А дальнейшее развитие данной технологии позволит создать светхвысокоточные скоростные трехмерные камеры и компактные лазерные сканеры типа LIDAR.

Одной из составляющих частей новой системы являются новые источники-света-на-чипе, разработанные и созданные в университете EPFL. Свет от этих источников служит для создания оптической гребенки, когда он попадает в полость крошечных круглых резонаторов, имеющих нелинейные оптические характеристики, непрерывный поток света преобразовывается в импульсы, называемые рассеянными солитронами Керра, импульсы, занимающие очень широкую полосу оптического спектра.

Отметим, что данная исследовательская группа уже достаточно давно работает с солитронными оптическими частотными гребенками. В прошлом году ученые продемонстрировали возможность использования таких гребенок в широкополосных оптических коммуникациях. Оптическая гребенка, по сути, состоит из света, имеющего несколько строго определенных длин волн, т.е. спектр этого света напоминает зубья гребенки. Если такой свет пройдет некоторое расстояние, то параметры гребенки изменятся, и сравнение этих параметров с параметрами эталонной гребенки позволит с высокой точностью вычислить расстояние, пройденное светом. И чем более широкополосной является оптическая частотная гребенка, тем большую точность измерения расстояния она может обеспечить.

В новом методе измерения расстояния исследователи использовали два оптических чипа, генерирующих две идентичные частотные гребенки. Свет от одного чипа использовался для измерения расстояния, а гребенка, вырабатываемая вторым чипом, служила в качестве опорного сигнала.

Несмотря на то, что высокая точность и скорость измерения расстояния уже сами по себе являются большим достижением, исследователи продолжат свою работу и постараются найти пути обхода некоторых ограничений. Основным ограничением данного метода, который служит препятствием дальнейшему практическому применению, является то, что высокоточное и скоростное измерение расстояния работает на максимальном удалении в 1 метр от источника света. Помимо этого, ни один из существующих процессоров не сможет обеспечить обработку в реальном времени огромного объема данных, поставляемого таким измерителем расстояния, поэтому большая часть обработки сигналов должна быть реализована на аппаратном уровне. И самой последней задачей станет задача компактификации всего устройства, которое исследователи планируют уместить в объем, равный объему спичечной коробки.

И в заключение следует отметить, что у новой технологии сверхвысокоточной и скоростной съемки имеется ряд более интересных областей применения, нежели камеры и сканеры LIDAR. Такая технология сможет обеспечить контроль качества выпускаемой на автономных "цифровых" производствах продукции, контроль состояния технологического оборудования, состояния конструкций зданий, сооружений, морских судов и транспортных средств. Высокая разрешающая способность метода позволит автоматически определять степень износа механизмов и заблаговременно выявлять возникающие в них дефекты и неполадки.