A mérnökök megépítették a világ legapróbb fényérzékelő giroszkópját, amely könnyen integrálható a legkisebb hordozható modern technológiába.
giroszkóp gyakoriak minden napjainkban használt technológiában. A giroszkópokat járművekben, drónokban és elektronikus eszközökben, például mobilokban és hordható eszközökben használják, mivel segítenek meghatározni az eszközök helyes tájolását a háromdimenziós (3D) térben. Eredetileg a giroszkóp egy kerék eszköze, amely segíti a kerék gyors forgását egy tengelyen különböző irányokba. Egy szabvány optikai A giroszkóp egy felcsavart optikai szálat tartalmaz, amely impulzuslézerfényt hordoz. Ez az óramutató járásával megegyező vagy ellentétes irányban fut. Ezzel szemben a modern giroszkópok érzékelők, például a mobiltelefonokban mikroelektromechanikus érzékelő (MEMS) van jelen. Ezek az érzékelők olyan erőket mérnek, amelyek két azonos tömegű entitásra hatnak, de két különböző irányban ingadoznak.
A Sagnac hatás
A ma már széles körben használt érzékelők érzékenysége korlátozott, és így optikai giroszkópok szükségesek. Döntő különbség, hogy az optikai giroszkópok is képesek hasonló feladatot ellátni, de minden mozgó alkatrész nélkül és nagyobb pontossággal. Ez a Sagnac-effektus révén érhető el, egy optikai jelenség, amely Einstein általános relativitáselméletét használja a szögsebesség változásainak kimutatására. A Sagnac-effektus során a lézersugár két független sugárnyalábra bomlik, amelyek most ellentétes irányba haladnak egy lekerekített pályán, amely végül egy fénydetektornál találkozik. Ez csak akkor fordul elő, ha az eszköz statikus, és főleg azért, mert a fény állandó sebességgel halad. Ha azonban az eszköz forog, a fény útja is elfordul, így a két különálló sugár eltérő időpontban éri el a fényérzékelőt. Ezt a fáziseltolódást Sagnac-effektusnak nevezik, és ezt a szinkronizálási különbséget a giroszkóp méri, és az orientáció kiszámításához használja.
A Sagnac-effektus nagyon érzékeny a jelben lévő zajra, és minden környező zaj, mint például a kis hőingadozások vagy rezgések, megzavarhatja a nyalábokat mozgás közben. És ha a giroszkóp lényegesen kisebb méretű, akkor hajlamosabb a meghibásodásra. Az optikai giroszkópok nyilvánvalóan sokkal hatékonyabbak, de még mindig kihívást jelent az optikai giroszkópok kicsinyítése, azaz méretük csökkentése, mert ahogy egyre kisebbek, az érzékelőik által kibocsátott jel is gyengül, majd elveszik az összes szórt zajban. fény. Emiatt a giroszkóp nehezebben érzékeli a mozgást. Ez a forgatókönyv korlátozta a kisebb optikai giroszkópok tervezését. A legkisebb jó teljesítményű giroszkóp legalább akkora, mint egy golflabda, ezért nem alkalmas kis hordozható eszközökhöz.
Új kialakítás egy kis giroszkóphoz
A California Institute of Technology USA kutatói egy nagyon alacsony zajszintű optikai giroszkópot terveztek, amely MEMS-érzékelők helyett lézert használ, és ezzel egyenértékű eredményeket ad. Tanulmányukat ben tették közzé Nature fotonika. Fogtak egy apró, 2 négyzetmm-es szilícium chipet, és egy csatornát szereltek rá a fény vezetésére. Ez a csatorna segít elvezetni a fényt a kör minden irányába. A mérnökök úgy szűrték ki a kölcsönös zajt, hogy két korong segítségével meghosszabbították a lézersugarak útját. Ahogy a sugár útja hosszabbodik, a zaj mértéke kiegyenlítődik, ami pontos mérést eredményez, amikor a két nyaláb találkozik. Ez lehetővé teszi kisebb eszközök használatát, de továbbra is pontos eredményeket biztosít. A készülék megfordítja a fény irányát is, hogy segítse a zajszűrést. Ennek az innovatív giroszkópnak a neve XV-35000CB. A jobb teljesítményt „reciprok érzékenységnövelés” módszerrel érték el. A reciprok azt jelenti, hogy két független fénysugarat ugyanúgy érint. A Sagnac-effektus a két nyaláb közötti változás észlelésén alapul, mivel azok ellentétes irányba haladnak, és ez nem kölcsönös. A fény mini optikai hullámvezetőkön halad át, amelyek kis vezetékek, amelyek fényt hordoznak, hasonlóan az elektromos áramkör vezetékeihez. Az optikai út bármely tökéletlensége vagy a külső interferencia mindkét sugarat érinti.
A kölcsönös érzékenység fokozása javítja a jel-zaj arányt, lehetővé téve, hogy ezt az optikai giroszkópot egy apró, esetleg körömhegynyi méretű chipbe integrálják. Ez az apró giroszkóp legalább 500-szor kisebb méretű, mint a meglévő eszközök, de sikeresen képes észlelni a fáziseltolódásokat 30-szor kisebb, mint a jelenlegi rendszerek. Ez az érzékelő elsősorban a kamera rezgésének korrekciójára használható rendszerekben. A giroszkópok ma már nélkülözhetetlenek a különböző területeken, és a jelenlegi kutatások azt mutatják, hogy kisebb optikai giroszkópokat is lehet tervezni, bár eltarthat egy ideig, amíg ez a laboratóriumi kialakítás kereskedelmi forgalomba kerül.
***
{Az eredeti kutatási cikket a hivatkozott forrás(ok) listájában lent található DOI linkre kattintva olvashatja el}
Forrás (ok)
Khial PP et al 2018. Nanofotonikus optikai giroszkóp kölcsönös érzékenységnöveléssel. Nature fotonika. 12. (11) bekezdése alapján. https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5
***
