Insinöörit ovat rakentaneet maailman pienimmän valoa tunnistavan gyroskoopin, joka voidaan helposti integroida pienimpään kannettavaan moderniin tekniikkaan.
Gyroskoopit ovat yleisiä kaikissa nykyaikana käyttämämme tekniikoissa. Gyroskooppeja käytetään ajoneuvoissa, droneissa ja elektronisissa laitteissa, kuten matkapuhelimissa ja puettavissa laitteissa, koska ne auttavat tietämään laitteen oikean suunnan kolmiulotteisessa (3D) avaruudessa. Alun perin gyroskooppi on pyörän laite, joka auttaa pyörää pyörimään nopeasti akselilla eri suuntiin. Standardi optinen gyroskooppi sisältää kelatun optisen kuidun, joka kuljettaa pulssilaservaloa. Tämä toimii joko myötä- tai vastapäivään. Sen sijaan nykyajan gyroskoopit ovat antureita, esimerkiksi matkapuhelimissa on mikroelektromekaaninen anturi (MEMS). Nämä anturit mittaavat voimia, jotka vaikuttavat kahteen samanmassaiseen kokonaisuuteen, mutta jotka heiluvat kahteen eri suuntaan.
Sagnac-efekti
Nykyään laajasti käytetyillä antureilla on rajoitettu herkkyys ja siten optiset gyroskoopit tarvitaan. Ratkaiseva ero on, että optiset gyroskoopit pystyvät suorittamaan samanlaisen tehtävän, mutta ilman liikkuvia osia ja tarkkuudella. Tämä on saavutettavissa Sagnac-ilmiöllä, optisella ilmiöllä, joka käyttää Einsteinin yleistä suhteellisuusteoriaa havaitsemaan muutoksia kulmanopeudessa. Sagnac-ilmiön aikana laservalosäde hajoaa kahdeksi itsenäiseksi säteeksi, jotka kulkevat nyt vastakkaisiin suuntiin pitkin pyöristettyä polkua, joka lopulta kohtaa yhden valonilmaisimen. Tämä tapahtuu vain, jos laite on staattinen ja pääasiassa siksi, että valo kulkee vakionopeudella. Jos laite kuitenkin pyörii, myös valon reitti kiertyy, jolloin kaksi erillistä sädettä saavuttavat valontunnistimen eri aikapisteessä. Tätä vaihesiirtoa kutsutaan Sagnac-efektiksi, ja tämä synkronointiero mitataan gyroskoopilla ja sitä käytetään orientaation laskemiseen.
Sagnac-efekti on erittäin herkkä signaalin melulle ja kaikki ympäröivät melut, kuten pienet lämpövaihtelut tai tärinä, voivat häiritä säteitä niiden liikkuessa. Ja jos gyroskooppi on huomattavasti pienempi koko, se on alttiimpi häiriöille. Optiset gyroskoopit ovat luonnollisesti paljon tehokkaampia, mutta silti on haastavaa pienentää optisia gyroskooppeja eli pienentää niiden kokoa, koska niiden pienentyessä myös niiden antureista lähetetty signaali heikkenee ja sitten katoaa kaiken hajallaan tuottamaan meluon. valoa. Tämä aiheuttaa gyroskoopin vaikeuksia havaita liikettä. Tämä skenaario on rajoittanut pienempien optisten gyroskooppien suunnittelua. Pienin hyvän suorituskyvyn omaava gyroskooppi on vähintään golfpallon kokoinen, joten se ei sovellu pieniin kannettaviin laitteisiin.
Uusi muotoilu pienelle gyroskoopille
Kalifornian teknologiainstituutin tutkijat ovat suunnitelleet erittäin hiljaisen optisen gyroskoopin, joka käyttää laseria MEMS-anturien sijaan ja saa vastaavat tulokset. Heidän tutkimuksensa on julkaistu v Luonto Fotoniikka. He ottivat pienen 2 neliömm:n piisirun ja asensivat siihen kanavan ohjaamaan valoa. Tämä kanava auttaa ohjaamaan valoa kulkemaan joka suuntaan ympyrän ympäri. Insinöörit karsivat vastavuoroisen melun pidentämällä lasersäteiden reittiä käyttämällä kahta kiekkoa. Kun säteen reitti pitenee, kohinan määrä tasoittuu, mikä johtaa tarkaan mittaukseen, kun kaksi sädettä kohtaavat. Tämä mahdollistaa pienemmän laitteen käytön, mutta säilyttää silti tarkat tulokset. Laite muuttaa myös valon suuntaa melunvaimennuksen helpottamiseksi. Tämä innovatiivinen gyroanturi on nimeltään XV-35000CB. Parannettu suorituskyky saavutettiin "reciprokaalinen herkkyyden parantaminen" -menetelmällä. Käänteinen tarkoittaa, että se vaikuttaa kahteen itsenäiseen valonsäteeseen samalla tavalla. Sagnac-ilmiö perustuu näiden kahden säteen välisen muutoksen havaitsemiseen, kun ne kulkevat vastakkaisiin suuntiin, ja tämä on yhtä kuin ei-vastavuoroisuus. Valo kulkee mini-optisten aaltoputkien läpi, jotka ovat pieniä putkia, jotka kuljettavat valoa, kuten sähköpiirin johdot. Optisen reitin epätäydellisyydet tai ulkoiset häiriöt vaikuttavat molempiin säteisiin.
Vastavuoroisen herkkyyden parantaminen parantaa signaali-kohinasuhdetta, mikä mahdollistaa tämän optisen gyroskoopin integroinnin pieneen siruun, joka on ehkä kynnen kärjen kokoinen. Tämä pieni gyroskooppi on kooltaan vähintään 500 kertaa pienempi kuin nykyiset laitteet, mutta se voi onnistuneesti havaita vaihesiirrot 30 kertaa pienemmät kuin nykyiset järjestelmät. Tätä anturia voidaan käyttää ensisijaisesti järjestelmissä korjaamaan kameran tärinää. Gyroskoopit ovat nykyään välttämättömiä eri aloilla, ja nykyiset tutkimukset osoittavat, että pienempiä optisia gyroskooppeja on mahdollista suunnitella, vaikka saattaa kestää jonkin aikaa, ennen kuin tämä laboratoriorakenne on kaupallisesti saatavilla.
***
{Voit lukea alkuperäisen tutkimuspaperin napsauttamalla alla olevaa DOI-linkkiä lainattujen lähteiden luettelossa}
Lähteet)
Khial PP et al 2018. Nanofotoninen optinen gyroskooppi, jossa on vastavuoroinen herkkyyden lisäys. Luonto Fotoniikka. 12 (11). https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5
***
