Forscher des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) früher auch als Universität Karlsruhe (TH) bekannt und Kollegen der Eidgenösischen Teschnischen Hochschule in Lausanne (EPFL) haben eine extrem schnelle Entfernungsmessung präsentiert.
Auch wenn dies keinen direkten Bezug zu kommerziellen Laserentfernungsmessern für Handwerker und Heimwerker hat, zeigt es auf, dass die Distanzmessung per Laser noch nicht ausgereizt ist und noch Potential für grosse Weiterentwicklungen vorhanden ist. Daneben weckt dieser Bericht beim Autor nostalgische Erinnerungen an die Studienzeit.
Grafische Darstellung des Messvorgangs mit einem Laserstrahl an einem Projektil (Grafik: Christian Grupe, Philipp Trocha, KIT)
Nun zum spektakulären Versuchsaufbau: Weil die Messung ja sehr schnell erfolgen kann, wurde das Projektil eines Luftgewehrs unmittelbar nach dem Verlassen des Gewehrlaufs vermessen. Das klingt ja schon fast unglaublich. Beinahe schon unvorstellbar ist die Genauigkeit des Profils, das vom Geschoss erzeugt wurde. Denn dieses ist mikrometergenau, obwohl die Gewehrkugel mit 150 Metern pro Sekunde unterwegs war!
Die Distanzmessung mit Lasern ist seit etlichen Jahren eine etablierte Methode, die man unter der Abkürzung LIDAR kennt, das steht für „Laser-based light detection and ranging“. Solche optische Entfernungsmessverfahren werden heute in vielfältigen Anwendungen genutzt. Dies können die Prozesskontrolle in intelligenten Produktionsprozessen oder die Navigation von autonom fliegenden Objekten wie Drohnen oder auch Satelliten sein. Hier wird deutlich, dass solche Anwendungen komplexe Anforderungen an die Genauigkeit, die Geschwindigkeit und auch an die Grösse von Entfernungsmesssystemen stellen.
Demonstrationsaufbau einer ultraschnellen Distanzmessung (Foto: Laila Tkotz, KIT)
Die Basis für die Demonstration bildet eine neuartige, an der EPFL entwickelte Lichtquelle, mit welcher ein optischer Frequenzkamm erzeugt wird. In optischen Mikroresonatoren entstehen breitbandige Frequenzkämme. Das sind kleinste kreisrunde Strukturen, in welche Licht aus einer Laserquelle eingespeist wird. In diesen Mikroresonatoren entstehen aus dem kontinuierlich Laserlicht Solitonen, also „Wellenpakete“, die einen regelmässigen Zug aus ultra-kurzen optischen Pulsen bilden und damit ein breitbandiges Spektrum an Wellenlängen aufweisen.
Grundsätzlich handelt es sich bei optischen Frequenzkämmen um Licht, das viele präzise definierte Wellenlängen beinhaltet. Wenn man das Spektrum in einem Diagramm darstellt, erinnert es an die Zinken eines Kammes. Ist die Struktur dieses Kamms bekannt, kann das Interferenzmuster bei der Überlagerung mit einem zweiten Frequenzkamm genutzt werden, um die vom Licht zurückgelegte Strecke zu ermitteln. Je breitbandiger die eingesetzten Frequenzkämme sind, desto genauer kann man die Entfernung messen.
Einsatzfelder für die neue Technologie liegen in der Fertigungskontrolle in Fabriken, die in Echtzeit und am gesamten Ausstoss erfolgen kann. Im Vergleich zu Stichproben und einem hohen manuellen Aufwand ergeben sich grosse Vorteile. Auch in 3D-Kameras könnte solche Sensoren zu einer Leistungssteigerung führen.
Die Entwicklung ist so bedeutend, dass die Forschungszeitschrift „Science“ darüber berichtet.
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