Ingeniører har bygget verdens minste lysfølende gyroskop som enkelt kan integreres i den minste bærbare moderne teknologien.
Hakke er vanlige i all teknologi vi bruker i dag. Gyroskoper brukes i kjøretøy, droner og elektroniske enheter som mobiler og wearables, da de hjelper deg med å finne den riktige orienteringen til en enhet i tredimensjonalt (3D) rom. Opprinnelig er et gyroskop en enhet av et hjul som hjelper hjulet til å spinne raskt på en akse i forskjellige retninger. En standard optisk Gyroskopet inneholder en spolet optisk fiber som bærer et pulslaserlys. Dette går enten med eller mot klokken. I kontrast er moderne gyroskoper sensorer, for eksempel i mobiltelefoner er det mikroelektromekaniske sensorer (MEMS) til stede. Disse sensorene måler krefter som virker på to enheter med identisk masse, men som vakler i to forskjellige retninger.
Sagnac-effekten
Selv om sensorene nå er mye brukt har begrenset følsomhet og dermed optiske gyroskoper trengs. En avgjørende forskjell er at optiske gyroskoper er i stand til å utføre en lignende oppgave, men uten noen bevegelige deler og med mer nøyaktighet. Dette er oppnåelig med Sagnac-effekten, et optisk fenomen som bruker Einsteins generelle relativitetsteori for å oppdage endringer i vinkelhastighet. Under Sagnac-effekten brytes en laserlysstråle i to uavhengige stråler som nå beveger seg i motsatte retninger langs en avrundet bane som til slutt møtes ved en lysdetektor. Dette skjer bare hvis enheten er statisk og hovedsakelig fordi lyset beveger seg med konstant hastighet. Men hvis enheten roterer, blir lysbanen også rotert, noe som får de to separate strålene til å nå lysdetektoren på et annet tidspunkt. Denne faseforskyvningen kalles Sagnac-effekt og denne forskjellen i synkronisering måles av gyroskopet og brukes til å beregne orientering.
Sagnac-effekten er veldig følsom for støy i signalet, og all omgivende støy som små termiske svingninger eller vibrasjoner kan forstyrre strålene mens de beveger seg. Og hvis gyroskopet er av en betydelig mindre størrelse, er det mer utsatt for forstyrrelser. Optiske gyroskoper er åpenbart mye mer effektive, men det er fortsatt en utfordring å skalere ned optiske gyroskoper, dvs. redusere størrelsen, fordi etter hvert som de blir mindre, svekkes også signalet som sendes fra sensorene, og går deretter tapt i støyen som genereres av alle de spredte gyroskopene. lys. Dette gjør gyroskopet vanskeligere med å oppdage bevegelse. Dette scenariet har begrenset utformingen av mindre optiske gyroskoper. Det minste gyroskopet med god ytelse er minst på størrelse med en golfball og er derfor uegnet for små bærbare enheter.
Nytt design for et lite gyroskop
Forskere ved California Institute of Technology USA har designet et optisk gyroskop med svært lav støy som bruker laser i stedet for MEMS-sensorer og får tilsvarende resultater. Studien deres er publisert i Nature Photonics. De tok en liten 2-kvadrat-mm silisiumbrikke og installerte en kanal på den for å lede lyset. Denne kanalen hjelper til med å lede lyset til å bevege seg i alle retninger rundt en sirkel. Ingeniører luket ut gjensidig støy ved å forlenge banen til laserstråler ved å bruke to disker. Ettersom strålens bane blir lengre, jevnes mengden av støy ut, noe som resulterer i nøyaktig måling når de to strålene møtes. Dette muliggjør bruk av mindre enheter, men opprettholder fortsatt nøyaktige resultater. Enheten reverserer også lysets retning for å hjelpe til med støyreduksjon. Denne innovative gyrosensoren heter XV-35000CB. Den forbedrede ytelsen ble oppnådd ved "gjensidig sensitivitetsforbedring"-metoden. Gjensidig betyr at den påvirker to uavhengige lysstråler på samme måte. Sagnac-effekten er basert på deteksjon av endring mellom disse to strålene når de beveger seg i motsatte retninger, og dette tilsvarer å være ikke-gjensidig. Lyset går gjennom mini optiske bølgeledere som er små kanaler som bærer lys, lik ledninger i en elektrisk krets. Eventuelle ufullkommenheter i den optiske banen eller ekstern interferens vil påvirke begge strålene.
Forbedring av gjensidig følsomhet forbedrer signal-til-støy-forholdet slik at dette optiske gyroskopet kan integreres på en liten brikke, kanskje størrelsen på spissen av en negl. Dette lille gyroskopet er minst 500 ganger mindre i størrelse enn eksisterende enheter, men kan med hell oppdage faseskift 30 ganger mindre enn dagens systemer. Denne sensoren kan primært brukes i systemer for å korrigere vibrasjoner i et kamera. Gyroskoper er nå uunnværlige på forskjellige felt og nåværende forskning viser at mindre optiske gyroskoper er mulige å designe selv om det kan ta litt tid før dette laboratoriedesignet er kommersielt tilgjengelig.
***
{Du kan lese den originale forskningsoppgaven ved å klikke på DOI-lenken nedenfor i listen over siterte kilder}
Source (s)
Khial PP et al 2018. Nanofotonisk optisk gyroskop med gjensidig sensitivitetsforsterkning. Nature Photonics. 12 (11). https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5
***
