Miniaturisierte elektro-optisch abstimmbare Laser für den Einsatz in der Distanzmessung (MeloDis)

Abstract

Für moderne optische Abstandsmessungen – etwa in der industriellen Fertigung oder beim autonomen Fahren – werden Laserquellen benötigt, deren Frequenz sehr schnell und gleichzeitig äußerst linear verändert werden kann. Solche frequenzmodulierten Verfahren (FMCW-LiDAR) ermöglichen besonders präzise und robuste Messungen. Bisher verfügbare miniaturisierte Laser stoßen jedoch bei der Kombination aus großem Verstimmbereich, hoher Geschwindigkeit und hoher Linearität an physikalische Grenzen. Im Projekt MeloDis wurde untersucht, ob sich eine kompakte, perspektivisch chip-integrierte Laserlichtquelle realisieren lässt, die Frequenzänderungen im zweistelligen Gigahertzbereich innerhalb von weniger als einer Mikrosekunde mit hoher Linearität erzeugen kann. Dazu sollte Laseraktivität mit einer elektro-optischen Frequenzsteuerung kombiniert werden. Ein zunächst verfolgter integrierter Ansatz auf Basis von Lithiumniobat konnte aufgrund fehlender geeigneter dotierter Materialien nicht umgesetzt werden. Im weiteren Projektverlauf wurde ein alternatives Konzept realisiert, das hochlineare Frequenzchirps im Sub-Mikrosekundenbereich ermöglicht. Mit diesem Ansatz konnten Frequenzänderungen von bis zu 10 GHz in weniger als hundert Nanosekunden erzeugt werden. Auf dieser Basis wurde eine Abstandsmessung im Meterbereich mit Zentimeter-Genauigkeit demonstriert – bei Messzyklen im Sub-Mikrosekundenbereich. Die Ergebnisse zeigen, dass hochdynamische, hochlineare Laserlichtquellen prinzipiell realisierbar sind. Neben Anwendungen in der Abstandsmessung eröffnen sich Potenziale in der digitalen Holographie und spektralen Messtechnik. Modern optical distance measurement systems – for example in industrial metrology or autonomous systems – require laser sources whose optical frequency can be tuned very rapidly and with extremely high linearity. Frequency-modulated continuous-wave (FMCW) techniques enable particularly precise and robust measurements. However, existing miniaturized laser sources often reach physical limits when large tuning ranges, high speed, and high linearity must be achieved simultaneously. The MeloDis project investigated whether a compact, potentially chip-integrated laser source can generate frequency shifts in the double-digit gigahertz range within less than one microsecond while maintaining high linearity. The initial approach combined laser gain with electro-optic frequency tuning on a lithium niobate platform. However, the intended fully integrated implementation could not be realized due to the lack of reliably rare-earth-doped material. An alternative concept was subsequently developed that enables highly linear frequency chirps in the sub-microsecond regime. Using this approach, frequency shifts of up to 10 GHz within less than one microsecond were demonstrated. Based on these linear chirps, a static distance measurement over several meters with centimeter-level uncertainty was achieved, with repetition rates in the sub-microsecond range. The results demonstrate that highly dynamic and highly linear laser sources are fundamentally feasible. Beyond distance measurement, the concept also shows potential for applications in digital holography and spectroscopic systems.