MIT KAUM EINEM ANDEREN WERKZEUG LASSEN SICH DISTANZEN SO GENAU MESSEN WIE MIT DEM LASER. WAS VOR RUND 50 JAHREN IM WELTRAUM BEGANN, FINDEN WIR HEUTE IN JEDEM AUTO.
384,403 km zum Mond
Als Theodore Maiman 1960 den ersten Laser vorstellte, bezeichnete er ihn als »Lösung auf der Suche nach einem Problem«. Schon wenige Jahre später wurden die ersten Laserstrahlen eingesetzt, um die Flugbahn von Satelliten zu überwachen. Reflektoren aus diesen Anfangszeiten sind noch heute im Einsatz – auf dem Mond!
Als Neil Armstrong und Buzz Aldrin am 21. Juli 1969 die Mondoberfläche betraten, hatten sie ein Gepäckstück dabei, das der Wissenschaft bis heute wertvolle Dienste leistet: einen Retroreflektor mit hundert einzelnen Prismen. Der steht bis heute rund 384.403 km von der Erde entfernt im Meer der Ruhe. Das wissen wir so genau, weil seine einzige Aufgabe darin besteht, den Abstand zwischen unserem Planeten und seinem Trabanten zu messen. Im Fachjargon spricht man vom Lunar Laser Ranging (LLR). Auch über 50 Jahre nach der ersten Mondlandung senden Wissenschaftler regelmäßig Laserstrahlen zum Mond und der Reflektor schickt das Licht pflichtschuldigst wieder zurück.
Nur wenige Photonen schaffen es »nach Hause«
Mit dem Retroreflektor konnten Wissenschaftler 1969 die Entfernung zum Mond auf wenige Zenti-meter genau bestimmen. Das Grundprinzip ist relativ simpel: Die Forscher stoppten die Zeit zwischen der Erzeugung des Laserpulses und dem Moment, an dem der reflektierte Strahl den Sensor trifft. Da sich das Licht immer mit derselben Geschwindigkeit bewegt, konnten sie die Entfernung mit einer einfachen Bruchrechnung ermitteln. Nach dieser Methode arbeiten bis heute alle Laserabstandsmesser. Ganz so trivial ist das Ganze dann aber doch nicht, denn der Laser muss auf seinem Weg zweimal die Atmosphäre durchqueren. Dabei wird das Licht ordentlich gestreut. Damit es von den hundert Billiarden Photonen auch nur ein einziges zurückschafft, braucht man entsprechend viel Laserpower – und natürlich auch einen Detektor, der empfindlich genug ist, dieses einsame Photon zu erkennen. Weltweit gibt es daher nur wenige Teleskope, mit denen solche Messungen möglich sind.
… und Einstein hatte doch recht!
Viele fragen sich jetzt: »Wofür der ganze Aufwand?« Tatsächlich haben die Forscher durch das Lunar Laser Ranging wertvolle Erkenntnisse über die Wechselwirkungen im Erde-Mond-System erhalten. So wissen wir zum Beispiel heute, dass sich der Mond jedes Jahr rund vier Zentimeter von der Erde entfernt. ... und LLR konnte sogar einen praktischen Beweis für Einsteins Relativitätstheorie erbringen. Danach müssten sich Erde und Mond mit identischer Beschleunigung durch das Schwerefeld der Sonne bewegen, obwohl sich ihre eigenen Gravitationsfelder stark voneinander unterscheiden. Genau das haben die Messungen bestätigt und schon deswegen hat sich die Fahrt zum Mond gelohnt.
Gestern auf dem Mond – heute im Baumarkt
LLR war nur der Anfang. Der eigentliche Siegeszug des Lasers begann kurz darauf, als es 1970 erstmals gelang, Laserstrahlen mithilfe von Halbleitern zu erzeugen. Das setzte einen Miniaturisierungstrend in Gang, der bis heute anhält. Heute können Sie in jedem Baumarkt ein Handgerät kaufen, das im Prinzip nichts anderes macht als die Riesenlaser von 1969.
Neue Dimensionen
Der nächste Schritt heißt LiDAR (Light Detection And Ranging). Wie der Name schon sagt, kommt dabei zur klassischen Abstandsmessung noch ein entscheidender Faktor hinzu: Detection. LiDAR erkennt Objekte und stellt fest, wo sie sich im Raum befinden. Statt nur den Abstand zwischen zwei Punkten zu messen, scannen tausende von Laserpulsen in Sekundenbruchteilen die gesamte Umgebung. Sie erzeugen eine Punktwolke, die ein Computer in dreidimensionale Bilder verwandelt. Da die einzelnen Pulse schnell aufeinanderfolgen kann LiDAR auch Bewegungen erfassen und daraus zum Beispiel die Geschwindigkeit von Fahrzeugen berechnen.
LiDAR macht die Straßen sicher
Das bekannteste Beispiel für solche Geschwindigkeitsmessungen ist die »Laserpistole « der Polizei. Genaugenommen sind die meisten Radarfallen heute LiDAR-Fallen. Der Effekt ist derselbe und wenn wir ehrlich sind, leisten sie einen entscheidenden Beitrag zur Sicherheit im Straßenverkehr. Genauso wie ein weiteres LiDAR System, das im Auto selbst untergebracht ist: Der Notbremsassistent. Hier kommen die Möglichkeiten des LiDAR voll zur Geltung, denn das Fahrzeug erkennt eigenständig Hindernisse, misst den Abstand und leitet bei Bedarf die Bremsung ein. Versicherungen gehen davon aus, dass die Zahl der Verkehrsunfälle durch diese Assistenzsysteme um 20 % bis 30 % sinken wird.
Herausforderung Zukunft
Viele sehen in den Fahrerassistenzsystemen den ersten Schritt zum selbstfahrenden Auto und tatsächlich arbeiten zurzeit nicht nur Automobilhersteller an dieser Zukunfts¬vision. LiDAR wird dabei sicherlich eine entscheidende Rolle spielen. Doch die An¬forderungen sind enorm. Zunächst müssen einmal Reichweite und Auflösung der Sys¬teme steigen. Für Komponentenhersteller wie LASER COMPONENTS bedeutet das: Laserdioden mit noch kürzerer Pulsdauer und noch höherer Ausgangsleistung; noch empfindlichere Detektoren – und beides möglichst so klein, dass es überall im Auto eingebaut werden kann.
Kreative Lösungen für morgen
Kreative Lösungen für morgen Die Vision vom selbstfahrenden Auto ist derzeit einer der wichtigsten Innovationsmotoren der Laserbranche. Die Entwicklungsingenieure an unseren Standorten in Kanada und den USA arbeiten mit Hochdruck an kreativen Lösungen, um diesen Traum wahr zu machen. Bei LASER COMPONENTS Canada ist ihnen beispielsweise ein Durchbruch in der Mikroproduktion gelungen, mit dem sie die Effizienz unserer Impulslaserdioden entscheidend verbessern konnten. (s.S. 27) Winzige »Gräben « zwischen den Schaltkreisen der Emitter vermeiden lästige Störströme und sorgen so für eine höhere Ausgangsleistung. Dadurch können LiDAR-Systeme in Zukunft noch weiter »sehen«. Wieder ein wichtiger Schritt zum autonomen Fahren. Doch das Ziel ist längst noch nicht erreicht. Weitere Innovationen sind bereits in der Pipeline.
Flash-LiDAR: Mit leistungsstarken Emittern und hochsensiblen Detektoren lassen sich LiDAR-Systeme ohne bewegliche Teile umsetzen.
»WIR ARBEITEN DARAN, DASS EINE DER GROSSEN ZUKUNFTSVISIONEN UNSERER ZEIT WIRKLICHKEIT WIRD.«
JEFF BRITTON / General Manager LASER COMPONENTS Canada
LASER COMPONENTS CANADA
General Manager Jeff Britton und sein Team arbeiten an Impulslaserdioden für selbstfahrende Autos. Die Herausforderungen lassen sich mit zwei verschiedenen Ansätzen bewältigen: Mit immer kürzeren Pulsdauern, wie bei den QuickSwitch® PLDs, oder mit Arrays, bei denen vier bis zwölf Emitter auf einem Chip untergebracht sind.
