更高速度的光学测距技术

微谐振器为基础的光学频率梳可以实现高精度光学测距，测量速度能达到每秒1亿次，这一研究成果已经发表在《科学（Science）》杂志，来自卡尔斯鲁厄科学技术研究所(KIT)和洛桑联邦理工学院（EPFL）的科学家实现了这一研究成果，实验所获得的测距速度是目前研究领域的最高值。研究人员演示了一种微米精度的子弹剖面飞行取样。实验依赖于在基于芯片的光学微谐振器由氮化硅产生孤子频率梳。潜在的应用包括基于高精度和紧凑的激光雷达系统的实时三维摄像机。 [o^$WL?c
 
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几十年来，激光测距技术，也被称为激光雷达（基于激光的光探测和测距），已经成为公认的方法。今天，光学测距方法正在应用于各种新兴应用中，如导航自主对象，如无人驾驶飞机或卫星，或在智能工厂的过程控制。这些应用程序对测量速度和精度以及光学测距系统的尺寸都有非常严格的要求。 2:LUB)&i  
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来自卡尔斯鲁厄科学技术研究所的Christian Koos教授领导研究小组和来自洛桑联邦理工学院的Tobias Kippenberg教授的团队已经开始合作应对这一挑战，针对超快速、高精度的激光雷达系统小型化研究。这个概念的基础研究现在已经发表在《科学》杂志上。 Y
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为了证明这种方法的可行性，科学家们利用飞行的子弹进行验证，子弹的飞行速度约为150米/秒，“我们设法对飞行的子弹的表面结构进行取样，并实现微米的精度”，Koos教授说道，“为此，我们每一秒会记录1亿次距离值，这是到目前为止所记录的最快距离测量。” D@=]mh6vl  
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这次演示是由一个瑞士洛桑联邦理工学院开发的新的芯片级光源辅助进行的，并由此产生光学频率梳。光学频率梳是在光学微腔中产生的，是一个小小的圆形结构，这是从激光源产生的连续光波。在非线性光学过程的作用下，激光被转换成稳定的光脉冲，并产生耗散克尔孤子，形成具有宽带光谱的规则脉冲序列。 ~z^l~Vyg?  
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这一创意实现的关键依赖于具有超低损耗高品质的氮化硅微谐振器，这种谐振器是在瑞士洛桑联邦理工学院的微型纳米研究中心制作而成。“我们已经开发了低损耗的光学谐振腔，在这极高光的强度可以产生，这是孤子频率梳的前提，”Tobias Kippenberg说，他是理工学院的教授，“相比前一年，这些所谓的克尔频率梳会迅速找到自己的方式进入新的应用领域。” KFM[caKeJO  
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在他们的演示中，研究人员将不同领域的研究结果结合起来。“在过去的几年中，我们已经使用芯片规模的频率梳源进行了广泛的超快通信研究，”Christian Koos解释说。“我们现在将这些结果转移到另一个研究领域——光学距离测量中。”2017年，这两个小组已经发表了一篇联合性质的文章，报告了光通信中芯片级孤子梳状源的潜力。原则上，频率梳会包含拥有众多的精确定义的波长，其中光的频率光谱就像梳子的齿一样。” lM-\:Q!
  
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如果已知这种梳状结构，则可以利用由第二频率梳叠加而产生的推断模式来确定光所经过的距离。频率梳越宽，测量精度越高。在他们的实验中，研究人员使用了两个光学微芯片来产生一对几乎相同的频率梳。 "|\hTRQ  
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科学家们认为他们的实验是对这种新型测量技术的首次演示。虽然在测距实验中所表现出的精度和速度的结合是一个重要的里程碑，但研究人员的目的是进一步开展工作，消除技术应用中的其他障碍。例如，该方法的范围仍然限于不到1米的典型距离。 ]4rmQAS7"  
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此外，今天的标准处理器不允许对测量产生的大量数据进行实时评估。未来的活动将集中在一个紧凑的设计，使高精度测距而融入一个火柴盒大小的体积中。氮化硅微谐振器经过瑞士联邦理工学院的研究已经有了商业化的产品，用于专门的基于光子集成电路（PIC）。 :?f<tNU$  
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设想中的传感器可以为各种各样的应用提供服务，例如，在数字工厂中对高精度机械部件进行高通量在线控制，取代费力的距离计量对微小样本的检查。此外，激光雷达的概念可能由此铺平了道路，以高性能的3-D相机的微芯片格式，这可能会广泛应用于自主导航技术中。 2%/F`_XbP  
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原文来源：https://phys.org/news/2018-02-optical-distance-record-high.html（实验帮译）