Inženieri ir izveidojuši pasaulē mazāko gaismas sensoru žiroskopu, ko varētu viegli integrēt mazākajā pārnēsājamajā modernajā tehnoloģijā.
Žiroskopi ir izplatītas visās tehnoloģijās, kuras mēs izmantojam mūsdienās. Žiroskopi tiek izmantoti transportlīdzekļos, dronos un elektroniskās ierīcēs, piemēram, mobilajos un valkājamās ierīcēs, jo tie palīdz noteikt pareizo ierīces orientāciju trīsdimensiju (3D) telpā. Sākotnēji žiroskops ir riteņa ierīce, kas palīdz ritenim ātri griezties pa asi dažādos virzienos. Standarts optisks žiroskops satur spolētu optisko šķiedru, kas satur impulsa lāzera gaismu. Tas darbojas vai nu pulksteņrādītāja virzienā, vai pretēji pulksteņrādītāja virzienam. Turpretim mūsdienu žiroskopi ir sensori, piemēram, mobilajos tālruņos ir mikroelektromehānisks sensors (MEMS). Šie sensori mēra spēkus, kas iedarbojas uz divām vienībām ar identisku masu, bet kas svārstās divos dažādos virzienos.
Sagnac efekts
Lai gan tagad plaši izmantotajiem sensoriem ir ierobežota jutība un tādējādi optiskie žiroskopi ir vajadzīgas. Būtiska atšķirība ir tā, ka optiskie žiroskopi spēj veikt līdzīgu uzdevumu, bet bez kustīgām daļām un ar lielāku precizitāti. To var panākt ar Sagnac efektu, optisku parādību, kas izmanto Einšteina vispārējās relativitātes teoriju, lai noteiktu leņķiskā ātruma izmaiņas. Sagnac efekta laikā lāzera gaismas stars tiek sadalīts divos neatkarīgos staros, kas tagad virzās pretējos virzienos pa noapaļotu ceļu, kas galu galā tiekas pie viena gaismas detektora. Tas notiek tikai tad, ja ierīce ir statiska, un galvenokārt tāpēc, ka gaisma pārvietojas ar nemainīgu ātrumu. Tomēr, ja ierīce griežas, tiek pagriezts arī gaismas ceļš, izraisot divus atsevišķus starus, kas sasniedz gaismas detektoru citā laika punktā. Šo fāzes nobīdi sauc par Sagnac efektu, un šo sinhronizācijas atšķirību mēra ar žiroskopu un izmanto orientācijas aprēķināšanai.
Sagnac efekts ir ļoti jutīgs pret signāla troksni, un jebkurš apkārtējais troksnis, piemēram, nelielas termiskās svārstības vai vibrācijas, var izjaukt starus, kad tie pārvietojas. Un, ja žiroskops ir ievērojami mazāks, tas ir vairāk pakļauts traucējumiem. Optiskie žiroskopi acīmredzami ir daudz efektīvāki, taču joprojām ir izaicinājums samazināt optisko žiroskopu mērogošanu, ti, samazināt to izmēru, jo, tiem kļūstot mazākiem, signāls, ko pārraida no to sensoriem, arī vājinās un pēc tam pazūd troksnī, ko rada visi izkliedētie. gaisma. Tas žiroskopam rada grūtības noteikt kustību. Šis scenārijs ir ierobežojis mazāku optisko žiroskopu dizainu. Mazākais žiroskops ar labu veiktspēju ir vismaz golfa bumbiņas lielumā un tāpēc nav piemērots mazām pārnēsājamām ierīcēm.
Jauns dizains mazam žiroskopam
ASV Kalifornijas Tehnoloģiju institūta pētnieki ir izstrādājuši optisku žiroskopu ar ļoti zemu trokšņa līmeni, kas MEMS sensoru vietā izmanto lāzeru un iegūst līdzvērtīgus rezultātus. Viņu pētījums ir publicēts Dabas fotonika. Viņi paņēma nelielu 2 kvadrātmm silīcija mikroshēmu un uzstādīja uz tās kanālu gaismas virzīšanai. Šis kanāls palīdz virzīt gaismu, lai virzītos ap apli visos virzienos. Inženieri atsijāja savstarpējo troksni, pagarinot lāzera staru ceļu, izmantojot divus diskus. Tā kā stara ceļš kļūst garāks, trokšņa daudzums tiek izlīdzināts, kā rezultātā tiek iegūti precīzi mērījumi, kad abi stari saskaras. Tas ļauj izmantot mazāku ierīci, bet joprojām saglabā precīzus rezultātus. Ierīce arī maina gaismas virzienu, lai palīdzētu novērst trokšņus. Šī novatoriskā žiroskopa sensora nosaukums ir XV-35000CB. Uzlabotā veiktspēja tika panākta ar “savstarpējas jutības uzlabošanas” metodi. Savstarpējs nozīmē, ka tas vienādi ietekmē divus neatkarīgus gaismas starus. Sagnac efekts ir balstīts uz izmaiņu noteikšanu starp šiem diviem stariem, kad tie pārvietojas pretējos virzienos, un tas nozīmē, ka tie nav abpusēji. Gaisma pārvietojas pa mini optiskiem viļņvadiem, kas ir mazi vadi, kas nes gaismu, līdzīgi kā vadi elektriskā ķēdē. Jebkuri optiskā ceļa nepilnības vai ārējie traucējumi ietekmēs abus starus.
Savstarpējās jutības uzlabošana uzlabo signāla un trokšņa attiecību, ļaujot šo optisko žiroskopu integrēt mazā mikroshēmā, kas var būt līdz naga galam. Šis mazais žiroskops ir vismaz 500 reižu mazāks nekā esošās ierīces, taču tas var veiksmīgi noteikt fāzes nobīdes, kas ir 30 reizes mazākas nekā pašreizējās sistēmas. Šo sensoru galvenokārt var izmantot sistēmās, lai koriģētu kameras vibrācijas. Žiroskopi tagad ir neaizstājami dažādās jomās, un pašreizējie pētījumi liecina, ka ir iespējams izveidot mazākus optiskos žiroskopus, lai gan var paiet zināms laiks, līdz šis laboratorijas dizains būs pieejams tirdzniecībā.
***
{Jūs varat izlasīt oriģinālo pētījumu, noklikšķinot uz DOI saites, kas norādīta tālāk citēto avotu sarakstā}
Avots (-i)
Khial PP et al 2018. Nanofotoniskais optiskais žiroskops ar abpusēju jutības uzlabošanu. Dabas fotonika. 12 (11). https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5
***
