I pettini di frequenza ottici basati su microrisonatori consentono una distanza ottica estremamente precisa che varia a una velocità di 100 milioni di misurazioni al secondo - pubblicazione in Scienza :Gli scienziati del Karlsruhe Institute of Technology (KIT) e dell'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) hanno dimostrato finora la misurazione della distanza più veloce. I ricercatori hanno dimostrato il campionamento al volo di un profilo di proiettile di pistola con precisione micrometrica. L'esperimento si basava su un pettine di frequenza solitonico generato in un microrisonatore ottico basato su chip realizzato in nitruro di silicio. Le potenziali applicazioni comprendono telecamere 3D in tempo reale basate su sistemi LIDAR compatti e altamente precisi.

Per decenni, metrologia a distanza mediante laser, noto anche come LIDAR (rilevamento e distanza della luce basati su laser), è stato un metodo consolidato. Oggi, metodi di misurazione della distanza ottica vengono applicati in un'ampia varietà di applicazioni emergenti, come la navigazione di oggetti autonomi, per esempio. droni o satelliti, o controllo di processo nelle fabbriche intelligenti. Queste applicazioni sono associate a requisiti molto severi in materia di velocità e precisione di misura, nonché le dimensioni dei sistemi ottici di misurazione della distanza. Un team di ricercatori guidato dal professor Christian Koos dell'Istituto di fotonica ed elettronica quantistica (IPQ) del KIT insieme al team del professor Tobias Kippenberg dell'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) ha iniziato ad affrontare questa sfida in un'attività congiunta, puntando a un concetto per un sistema LIDAR ultra veloce e altamente preciso che un giorno entrerà in una scatola di fiammiferi. Le basi di questo concetto sono state ora pubblicate sulla rivista scientifica Science. Per dimostrare la fattibilità del loro approccio, gli scienziati hanno usato un proiettile di pistola che volava a una velocità di 150 m/s. "Siamo riusciti a campionare al volo la struttura superficiale del proiettile, ottenere una precisione micrometrica", Il professor Koos commenta, "A tal fine, abbiamo registrato 100 milioni di valori di distanza al secondo, corrispondente alla misurazione della distanza più veloce finora dimostrata."

Questa dimostrazione è stata resa possibile da un nuovo tipo di sorgente luminosa a scala di chip sviluppata presso l'EPFL, generazione di pettini di frequenza ottica. I pettini sono generati in microrisonatori ottici, minuscole strutture circolari, alimentati da luce ad onda continua proveniente da una sorgente laser. Mediato da processi ottici non lineari, la luce laser viene convertita in impulsi ottici stabili - solitoni di Kerr dissipativi - formando un treno di impulsi regolare che presenta uno spettro ottico a banda larga. Il concetto si basa in modo cruciale su microrisonatori di nitruro di silicio di alta qualità con perdite ultra basse, che sono stati prodotti presso il Centro di MicroNanotecnologia (CMi) dell'EPFL. "Abbiamo sviluppato risonatori ottici a bassa perdita, in cui possono essere generate intensità ottiche estremamente elevate - un prerequisito per pettini di frequenza solitonici, " afferma il professor Tobias Kippenberg dell'EPFL, "Questi cosiddetti pettini di frequenza Kerr hanno rapidamente trovato la loro strada in nuove applicazioni negli anni precedenti."

Nelle loro manifestazioni, i ricercatori hanno combinato i risultati di diverse aree. "Negli anni passati, abbiamo ampiamente studiato metodi per comunicazioni ultraveloci utilizzando sorgenti pettine di frequenza su scala chip, " Christian Koos di KIT spiega. "Ora trasferiamo questi risultati in un'altra area di ricerca:le misurazioni della distanza ottica." Nel 2017, le due squadre hanno già pubblicato un articolo congiunto su Nature, reportage sul potenziale delle sorgenti solitoniche a pettine su scala chip nelle telecomunicazioni ottiche. In linea di principio, i pettini di frequenza ottica sono costituiti da luce con una moltitudine di lunghezze d'onda definite con precisione:lo spettro ottico assomiglia quindi ai denti di un pettine. Se si conosce la struttura di un tale pettine, lo schema di inferenza risultante dalla sovrapposizione di un secondo pettine di frequenza può essere utilizzato per determinare la distanza percorsa dalla luce. Più la banda larga è la frequenza dei pettini, maggiore è la precisione della misurazione. Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno utilizzato due microchip ottici per generare una coppia di pettini di frequenza quasi identici.

Gli scienziati considerano il loro esperimento una prima dimostrazione della tecnica di misurazione. Sebbene la combinazione dimostrata di precisione e velocità nell'esperimento di gittata sia di per sé una pietra miliare importante, i ricercatori mirano a portare avanti il ​​lavoro e ad eliminare i rimanenti ostacoli all'applicazione tecnica. Ad esempio, la portata del metodo è ancora limitata a distanze tipiche inferiori a 1 m. Inoltre, i processori standard odierni non consentono la valutazione in tempo reale della grande quantità di dati generati dalla misurazione. Le attività future si concentreranno su un design compatto, consentendo una distanza estremamente precisa mentre si adatta al volume di una scatola di fiammiferi. I microrisonatori al nitruro di silicio sono già disponibili in commercio dalla spin-off di EPFL LiGENTEC SA, specializzata nella fabbricazione di circuiti integrati fotonici (PIC) a base di nitruro di silicio.

I sensori previsti potrebbero servire un'ampia varietà di applicazioni, per esempio., per il controllo in linea ad alta produttività di parti meccaniche ad alta precisione nelle fabbriche digitali, sostituendo l'ispezione all'avanguardia di un piccolo sottoinsieme di campioni con una laboriosa metrologia a distanza. Inoltre, il concetto LIDAR potrebbe aprire la strada a telecamere 3D ad alte prestazioni in formato microchip, che possono trovare applicazioni diffuse nella navigazione autonoma.