Inginerii au construit cel mai mic giroscop cu senzor de lumină din lume, care ar putea fi integrat cu ușurință în cea mai mică tehnologie modernă portabilă.
giroscoape sunt comune în fiecare tehnologie pe care o folosim în zilele noastre. Giroscoapele sunt utilizate în vehicule, drone și dispozitive electronice precum telefoanele mobile și dispozitivele portabile, deoarece ajută la cunoașterea orientării corecte a unui dispozitiv în spațiul tridimensional (3D). Inițial, un giroscop este un dispozitiv al unei roți care ajută roata să se rotească rapid pe o axă în direcții diferite. Un standard optic Giroscopul conține o fibră optică bobină care poartă o lumină laser cu impuls. Acesta rulează fie în sensul acelor de ceasornic, fie în sens invers acelor de ceasornic. În schimb, giroscoapele moderne sunt senzori, de exemplu în telefoanele mobile există senzori microelectromecanici (MEMS). Acești senzori măsoară forțele care acționează asupra a două entități de masă identică, dar care oscilează în două direcții diferite.
Efectul Sagnac
Senzorii, deși acum sunt utilizați pe scară largă, au o sensibilitate limitată și, prin urmare giroscoape optice sunt necesare. O diferență crucială este că giroscoapele optice sunt capabile să îndeplinească o sarcină similară, dar fără părți mobile și cu mai multă precizie. Acest lucru este realizabil prin efectul Sagnac, un fenomen optic care folosește teoria relativității generale a lui Einstein pentru a detecta modificările vitezei unghiulare. În timpul efectului Sagnac, un fascicul de lumină laser este rupt în două fascicule independente care acum călătoresc în direcții opuse de-a lungul unei căi rotunjite, care se întâlnesc în cele din urmă la un detector de lumină. Acest lucru se întâmplă doar dacă dispozitivul este static și în principal pentru că lumina se deplasează cu viteză constantă. Cu toate acestea, dacă dispozitivul se rotește, calea luminii este, de asemenea, rotită, ceea ce face ca cele două fascicule separate să ajungă la detectorul de lumină la un moment de timp diferit. Această schimbare de fază se numește efect Sagnac și această diferență de sincronizare este măsurată de giroscop și utilizată pentru a calcula orientarea.
Efectul Sagnac este foarte sensibil la zgomotul din semnal și orice zgomot din jur, cum ar fi mici fluctuații termice sau vibrații, poate perturba fasciculele în timp ce se deplasează. Și dacă giroscopul are o dimensiune considerabil mai mică, atunci este mai predispus la perturbări. Giroscoapele optice sunt, evident, mult mai eficiente, dar este totuși o provocare să micșoreze giroscoapele optice, adică să le reducă dimensiunea, deoarece, pe măsură ce devin mai mici, semnalul transmis de la senzorii lor slăbește și apoi se pierde în zgomotul care este generat de toți cei împrăștiați. ușoară. Acest lucru face ca giroscopul să fie mai greu de detectat mișcarea. Acest scenariu a limitat proiectarea giroscoapelor optice mai mici. Cel mai mic giroscop cu o performanță bună are cel puțin dimensiunea unei mingi de golf și, prin urmare, nu este potrivit pentru dispozitive portabile mici.
Design nou pentru un giroscop mic
Cercetătorii de la California Institute of Technology SUA au proiectat un giroscop optic cu zgomot foarte scăzut, care utilizează laser în loc de senzori MEMS și obține rezultate echivalente. Studiul lor este publicat în Natura Photonics. Au luat un mic cip de siliciu de 2 mm pătrați și au instalat un canal pe el pentru a ghida lumina. Acest canal ajută la ghidarea luminii pentru a călători în toate direcțiile în jurul unui cerc. Inginerii au eliminat zgomotul reciproc prelungind calea fasciculelor laser folosind două discuri. Pe măsură ce traseul fasciculului devine mai lung, cantitatea de zgomot este uniformizată, rezultând o măsurare precisă atunci când cele două fascicule se întâlnesc. Acest lucru permite utilizarea unui dispozitiv mai mic, dar menținând totuși rezultate precise. De asemenea, dispozitivul inversează direcția luminii pentru a ajuta la anularea zgomotului. Acest senzor giroscop inovator se numește XV-35000CB. Performanța îmbunătățită a fost obținută prin metoda „imbunătățirii reciproce a sensibilității”. Reciproc înseamnă că afectează două fascicule independente de lumină în același mod. Efectul Sagnac se bazează pe detectarea schimbării dintre aceste două fascicule, pe măsură ce se deplasează în direcții opuse, ceea ce înseamnă că nu este reciproc. Lumina călătorește prin mini ghiduri de undă optice, care sunt conducte mici care transportă lumină, similar firelor dintr-un circuit electric. Orice imperfecțiuni ale căii optice sau interferențe exterioare vor afecta ambele fascicule.
Îmbunătățirea sensibilității reciproce îmbunătățește raportul semnal-zgomot, permițând acestui giroscop optic să fie integrat pe un cip mic, poate de dimensiunea vârfului unghiei. Acest giroscop mic este de cel puțin 500 de ori mai mic decât dispozitivele existente, dar poate detecta cu succes schimbări de fază de 30 de ori mai mici decât sistemele actuale. Acest senzor poate fi utilizat în principal în sistemele de corectare a vibrațiilor unei camere. Giroscoapele sunt acum indispensabile în diferite domenii, iar cercetările actuale arată că giroscoapele optice mai mici sunt posibile de proiectat, deși poate dura ceva timp pentru ca acest design de laborator să fie disponibil comercial.
***
{Puteți citi lucrarea originală de cercetare făcând clic pe linkul DOI de mai jos în lista surselor citate}
Sursa (s)
Khial PP et al 2018. Giroscop optic nanofotonic cu îmbunătățire reciprocă a sensibilității. Natura Photonics. 12(11). https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5
***
