Solitonen-Frequenzkämme - Weltschnellste Entfernungsmessung
Forscher gelang es Entfernungen mit bis zu 100 Millionen Messungen pro Sekunde mittels Laserpulsen zu ermitteln und erzielten hierbei eine Genauigkeit im Mikrometerbereich.
Radarfallen kennt jeder Autofahrer. Sie bestimmen mittels elektromagnetischen Wellen im Radiofrequenzbereich die Geschwindigkeit eines Fahrzeuges und schießen eventuell teure Fotos.
Ein ähnliches Verfahren ist das Lidar. Ähnlich wie Radar nutzt Lidar elektromagnetische Wellen zur Entfernungsmessung. Jedoch statt Frequenzen aus dem Radiobereich, nutzt es Frequenzen aus dem sichtbaren Bereich - Laserlicht.
(Foto: Laila Tkotz, KIT)
Einem Forscherteam am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gelang es nun in Kooperation mit Kollegen an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne in der Schweiz (EPFL) ein auf Lidar basierendes Verfahren zur Entfernungsmessung zu entwickeln, welches bis zu 100 Millionen Messungen pro Sekunde ermöglicht. Hierbei erzielten sie eine Bildauflösung im Mikrometerbereich - das entspricht in etwa der Größe einer Bakterie.
Hierfür entwickelten die beiden Teams um Professor Christian Koos am Institut für Photonik und Quantenelektronik des KIT und um Professor Tobias Kippenberg an der EPFL einen besonderen Laser, mit dessen Hilfe sie Frequenzkämme erzeugen konnten.
Frequenzkamm
Der Frequenzkamm ist ein besonderes Laserlicht und ein Werkzeug der Frequenzmessung. Das Licht besteht aus mehreren besonderen Arten Wellen, den Solitonen.
Würde man die Farbe eines solchen Lasers bestimmen wollen, sähe man nur "weißes" Licht: Weißes Licht ist nichts anderes als eine Mischung aus allen Farben des sichtbaren Lichtes. Der Frequenzkamm besteht aus vielen verschiedenen "Farben".
Die Besonderheit des Frequenzkamms ist nun sein elektromagnetisches Frequenzspektrum. Dieses besteht nur aus vielen "Zinken", den Solitonen, die in einem gleichbleibenden Abstand zueinander liegen. Damit ähnelt das Schaubild des elektromagnetischen Spektrums von einem Frequenzkamm dem Aussehen eines Kammes.
Solitonen
Solitonen sind eine bestimmte Art von Wellen. Ein Soliton ist ein einzelnes, alleinstehendes Wellenpaket, welches aus vielen harmonischen Wellen besteht. Die Besonderheit der Solitonen gegenüber gewöhnlichen Wellen: Ihre Form ist äußerst robust gegenüber Kollisionen. So überlagern sie sich nicht mit anderen Solitonen, sondern überholen bzw. durchqueren diese lediglich.
Ein Tsunami ist beispielsweise ein Soliton im Wasser: Er besitzt einen äußert steilen Wellenberg, ein typisches Merkmal eines Solitons.
(Foto: https://pixabay.com/de/welle-atlantik-pazifik-ozean-1913559/ veröffentlicht unter CC0 Creative Commons)
Durch die Verwendung von zwei Frequenzkämmen und der Kenntnis deren genauen Struktur, lässt sich nun aus deren Überlagerungsbild - dem Interferenzmuster - die zurückgelegte Entfernung des Laserstrahls bestimmen.
Von der Gewährkugel zum autonomen Fahrern
Zur Demonstration des neu entwickelten Lasers vermaßen die Forscher eine Gewährkugel im Flug. Das mit 150 m/s (= 540 km/h) schnelle Projektil flog durch den Laserstrahl des neu entwickelten Lasers durch und wurde dabei etwa bis zu einer Million mal abgetastet.
(Grafik: Christian Grupe, Philipp Trocha, KIT)
Mögliche Anwendungsfälle für diese superschnelle Vermessung könnte u. a. die dreidimensionale Erfassung der Umgebung in Echtzeit sein, beispielsweise bei autonomen Fahrzeugen.
Quellen
- https://www.kit.edu/kit/pi_2018_019_science-optische-distanzmessung-mit-rekordgeschwindigkeit.php
- https://science.sciencemag.org/content/359/6378/887
- https://imaginary.org/de/hands-on/solitonen-und-tsunamis
- https://www.imm.dtu.dk/math_phys/Solitons.html
- https://de.wikipedia.org/wiki/Frequenzkamm
- https://de.wikipedia.org/wiki/Soliton
- Lizenzquelle zu KIT-Bilder: https://www.kit.edu/kit/mediathek.php
Quellen abgerufen am 02.03.2018
Being A SteemStem Member
Coole Technologie! wie schaut es von der finanziellen Seite aus? Ist LIDAR preiswert genug, um für die Massenanwendung rentabel zu sein?
kleiner Korrekturvorschlag: Könntest du noch nachschauen, ob deine Bilder alle free-to-use sind, und die Quellen dazu angeben? Danke!
Das Konzept hinter Lidar wurde erstmalig im Jahre 1930 von Edward Hutchinson Synge theoretisch aufgegriffen, jedoch erst viel Jahre später, in den 1960er nach dem Laser technisch umgesetzt.
Der Laser hat sich seitdem prächtig entwickelt und ihm gibt es nun überall günstig zu kaufen. Offenbar war das Interesse und sein Verwendungszweck vielseitig genug, dass sich hieraus ein großer Markt entwickeln konnte, wodurch ein Wettbewerb enstand.
Ich vermute für Lidar gab es lange Zeit keine Anwendungsbereiche oder nur technische Nischenbereiche, wodurch es in dessen Entwicklung bisher eher schleppend voran ging. Aber mit dem Gedanken von autnomen Fahr- und Flugzeugen ist Lidar groß gefragt und ich vermute, dass dessen Preis in den nächsten Jahren mit dem Aufkommen mehrerer Wetbewerber deutlich fallen wird. Es gibt beispielsweise bereits das US-Startup scanse, welches preiswertere Lidarsysteme anstrebt.
Quellen:
https://en.wikipedia.org/wiki/Lidar#History_and_etymology
https://en.wikipedia.org/wiki/Lidar#General_description
http://scanse.io/
Unter den Bilder des KIT stand kein Lizenztyp. Diese sind nun aus diesem Beitrag "entfernt".
Das Tsunami-Bild wurde auf pixabay.com unter CC0 Creative Commons veröffentlicht. Quelle: https://pixabay.com/de/welle-atlantik-pazifik-ozean-1913559/
super, danke! Danke auch für die ausführliche Anwort auf meine Frage!
Ich habe nun eine E-Mail der Pressestelle des KIT erhalten, die lautet: "Im redaktionellen Kontext dürfen die Fotos aus den Pressemitteilungen gerne frei genutzt werden unter Nennung der jeweiligen Quellenangabe." Darf ich mit dieser Erlaubnis Beiträge unter dem Hashtag de-stem tagen?
klar, super! Deine Posts geben echt was her, bist definitiv eine Bereicherung ;-)
Vielen Dank für das Lob.
Ich baue dann die Bilder in diesem Beitrag wieder ein.
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