Inženirji so izdelali najmanjši žiroskop na svetu, ki zaznava svetlobo, ki bi ga bilo mogoče enostavno integrirati v najmanjšo prenosno sodobno tehnologijo.
Žiroskopi so pogosti v vsaki tehnologiji, ki jo uporabljamo v današnjem času. Žiroskopi se uporabljajo v vozilih, brezpilotnih letalih in elektronskih napravah, kot so mobilni in nosljivi aparati, saj pomagajo poznati pravilno orientacijo naprave v tridimenzionalnem (3D) prostoru. Prvotno je žiroskop naprava kolesa, ki pomaga kolesu, da se hitro vrti na osi v različnih smereh. Standard Optična žiroskop vsebuje navito optično vlakno, ki nosi impulzno lasersko svetlobo. To poteka v smeri urinega kazalca ali v nasprotni smeri urinega kazalca. V nasprotju s tem so sodobni žiroskopi senzorji, na primer v mobilnih telefonih je prisoten mikroelektromehanski senzor (MEMS). Ti senzorji merijo sile, ki delujejo na dve entiteti enake mase, vendar se nihajo v dveh različnih smereh.
Učinek Sagnac
Senzorji, čeprav se zdaj pogosto uporabljajo, imajo omejeno občutljivost in zato optični žiroskopi so potrebni. Bistvena razlika je v tem, da lahko optični žiroskop opravlja podobno nalogo, vendar brez premičnih delov in z večjo natančnostjo. To je mogoče doseči s Sagnacovim učinkom, optičnim pojavom, ki uporablja Einsteinovo splošno teorijo relativnosti za odkrivanje sprememb kotne hitrosti. Med Sagnacovim učinkom se žarek laserske svetlobe razdeli na dva neodvisna žarka, ki zdaj potujeta v nasprotnih smereh po zaobljeni poti, ki se na koncu srečata pri enem detektorju svetlobe. To se zgodi le, če je naprava statična in predvsem zato, ker svetloba potuje s konstantno hitrostjo. Če pa se naprava vrti, se pot svetlobe tudi zavrti, kar povzroči, da dva ločena žarka dosežeta detektor svetlobe v drugi časovni točki. Ta fazni premik se imenuje Sagnacov učinek in to razliko v sinhronizaciji meri žiroskop in se uporablja za izračun orientacije.
Sagnacov učinek je zelo občutljiv na šum v signalu in vsak okoliški hrup, kot so majhna toplotna nihanja ali vibracije, lahko moti žarke med potovanjem. In če je žiroskop bistveno manjše velikosti, je bolj nagnjen k motnjam. Optični žiroskopi so očitno veliko bolj učinkoviti, vendar je še vedno izziv zmanjšati optične žiroskope, tj. zmanjšati njihovo velikost, saj ko postanejo manjši, tudi signal, ki ga prenašajo njihovi senzorji, oslabi in se nato izgubi v hrupu, ki ga ustvarjajo vsi razpršeni žiroskopi. svetloba. To povzroči, da žiroskop težje zazna gibanje. Ta scenarij je omejil zasnovo manjših optičnih žiroskopov. Najmanjši žiroskop z dobrim delovanjem je vsaj velikosti žogice za golf in zato ni primeren za majhne prenosne naprave.
Nov dizajn za majhen žiroskop
Raziskovalci s Kalifornijskega tehnološkega inštituta ZDA so zasnovali optični žiroskop z zelo nizkim šumom, ki namesto senzorjev MEMS uporablja laser in daje enakovredne rezultate. Njihova študija je objavljena v Narava fotonika. Vzeli so majhen silicijev čip velikosti 2 kvadratnih mm in nanj namestili kanal za usmerjanje svetlobe. Ta kanal pomaga usmerjati svetlobo, da potuje v vse smeri okoli kroga. Inženirji so izločili vzajemni hrup s podaljšanjem poti laserskih žarkov z uporabo dveh diskov. Ko se pot žarka podaljša, se količina hrupa izravna, kar povzroči natančno merjenje, ko se žarka srečata. To omogoča uporabo manjše naprave, vendar še vedno ohranja natančne rezultate. Naprava tudi obrne smer svetlobe, da pomaga pri odpravljanju hrupa. Ta inovativni žiroskopski senzor se imenuje XV-35000CB. Izboljšana zmogljivost je bila dosežena z metodo 'vzajemne izboljšave občutljivosti'. Vzajemno pomeni, da vpliva na dva neodvisna svetlobna snopa na enak način. Učinek Sagnac temelji na zaznavanju spremembe med tema dvema žarkoma, ko potujeta v nasprotnih smereh, kar je enako, da ni vzajemno. Svetloba potuje skozi mini optične valovode, ki so majhni vodi, ki prenašajo svetlobo, podobno kot žice v električnem tokokrogu. Vse pomanjkljivosti na optični poti ali zunanje motnje bodo vplivale na oba žarka.
Izboljšanje vzajemne občutljivosti izboljša razmerje med signalom in šumom, kar omogoča, da se ta optični žiroskop integrira v majhen čip, ki je morda velikosti konice nohta. Ta majhen žiroskop je vsaj 500-krat manjši od obstoječih naprav, vendar lahko uspešno zazna fazne premike, ki so 30-krat manjši od trenutnih sistemov. Ta senzor se lahko uporablja predvsem v sistemih za popravljanje vibracij kamere. Žiroskopi so zdaj nepogrešljivi na različnih področjih in trenutne raziskave kažejo, da je mogoče oblikovati manjše optične žiroskope, čeprav lahko traja nekaj časa, da bo ta laboratorijska zasnova komercialno dostopna.
***
{Izvirno raziskovalno nalogo lahko preberete s klikom na spodnjo povezavo DOI na seznamu citiranih virov}
Vir (i)
Khial PP et al 2018. Nanofotonski optični žiroskop z vzajemno izboljšavo občutljivosti. Narava fotonika. 12 (11). https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5
***
