Insenerid on loonud maailma väikseima valgustundliku güroskoopi, mida saab hõlpsasti integreerida väikseimasse kaasaskantavasse kaasaegsesse tehnoloogiasse.
Güroskoobid on levinud igas tänapäeval kasutatavas tehnoloogias. Güroskoope kasutatakse sõidukites, droonides ja elektroonilistes seadmetes, nagu mobiiltelefonid ja kantavad seadmed, kuna need aitavad teada seadme õiget orientatsiooni kolmemõõtmelises (3D) ruumis. Algselt on güroskoop ratta seade, mis aitab rattal kiiresti teljel erinevates suundades pöörlema. Standard optiline güroskoop sisaldab poolitud optilist kiudu, mis kannab impulss-laservalgust. See töötab kas päripäeva või vastupäeva. Seevastu tänapäevased güroskoobid on andurid, näiteks mobiiltelefonides on mikroelektromehaanilised andurid (MEMS). Need andurid mõõdavad jõudu, mis mõjuvad kahele identse massiga üksusele, kuid mis kõikuvad kahes erinevas suunas.
Sagnaci efekt
Kuigi praegu laialdaselt kasutatavad andurid on piiratud tundlikkusega ja seega optilised güroskoopid on vajalikud. Oluline erinevus seisneb selles, et optilised güroskoobid on võimelised täitma sarnast ülesannet, kuid ilma liikuvate osadeta ja suurema täpsusega. See on saavutatav Sagnaci efektiga, optilise nähtusega, mis kasutab nurkkiiruse muutuste tuvastamiseks Einsteini üldrelatiivsusteooriat. Sagnaci efekti ajal jagatakse laserkiir kaheks sõltumatuks kiireks, mis liiguvad nüüd vastassuundades mööda ümarat rada, mis lõpuks kohtuvad ühe valgusdetektoriga. See juhtub ainult siis, kui seade on staatiline ja peamiselt seetõttu, et valgus liigub ühtlase kiirusega. Kui seade aga pöörleb, pööratakse ka valguse teekonda, mistõttu kaks eraldi kiirt jõuavad valgusdetektorini erineval ajahetkel. Seda faasinihet nimetatakse Sagnaci efektiks ja seda sünkroniseerimise erinevust mõõdetakse güroskoobiga ja seda kasutatakse orientatsiooni arvutamiseks.
Sagnaci efekt on signaali müra suhtes väga tundlik ja mis tahes ümbritsev müra, nagu väikesed soojuskõikumised või vibratsioon, võivad kiirte liikumist häirida. Ja kui güroskoop on oluliselt väiksema suurusega, siis on see häireid suurem. Optilised güroskoobid on ilmselgelt palju tõhusamad, kuid siiski on väljakutseks optiliste güroskoopide skaleerimine, st nende mõõtmete vähendamine, sest kui need muutuvad väiksemaks, nõrgeneb ka nende anduritelt edastatav signaal ja kaob seejärel müras, mida kõik hajutatud tekitavad. valgus. See muudab güroskoobi liikumise tuvastamise raskemaks. See stsenaarium on piiranud väiksemate optiliste güroskoopide disaini. Väikseim hea jõudlusega güroskoop on vähemalt golfipalli suurune ja seega väikeste kaasaskantavate seadmete jaoks sobimatu.
Uus disain väikesele güroskoobile
USA California Tehnoloogiainstituudi teadlased on välja töötanud väga madala müratasemega optilise güroskoobi, mis kasutab MEMS-andurite asemel laserit ja annab samaväärseid tulemusi. Nende uuring avaldati aastal Looduse fotoonika. Nad võtsid pisikese 2-ruutmm ränikiibi ja paigaldasid sellele kanali valguse juhtimiseks. See kanal aitab suunata valgust ringlema igas suunas. Insenerid tõrjusid vastastikust müra, pikendades laserkiirte teekonda kahe ketta abil. Kuna kiire teekond pikeneb, ühtlustub müra hulk, mille tulemuseks on täpne mõõtmine kahe kiire kokkupuutel. See võimaldab kasutada väiksemat seadet, kuid säilitab siiski täpsed tulemused. Seade muudab ka valguse suunda, et aidata müra summutada. See uuenduslik gürosensor kannab nime XV-35000CB. Parem jõudlus saavutati vastastikuse tundlikkuse suurendamise meetodiga. Vastastikune tähendab, et see mõjutab kahte sõltumatut valguskiirt samal viisil. Sagnaci efekt põhineb nende kahe kiirte vahelise muutuse tuvastamisel, kui nad liiguvad vastassuundades, ja see tähendab, et see ei ole vastastikune. Valgus liigub läbi mini-optiliste lainejuhtide, mis on väikesed valgust kandvad kanalid, mis sarnanevad elektriahela juhtmetega. Kõik optilise tee puudused või välised häired mõjutavad mõlemat kiirt.
Vastastikuse tundlikkuse suurendamine parandab signaali-müra suhet, võimaldades selle optilise güroskoopi integreerida väikesele, võib-olla küüneotsa suurusele kiibile. See pisike güroskoop on vähemalt 500 korda väiksem kui olemasolevad seadmed, kuid suudab edukalt tuvastada faasinihkeid, mis on 30 korda väiksemad kui praegused süsteemid. Seda andurit saab peamiselt kasutada süsteemides kaamera vibratsiooni korrigeerimiseks. Güroskoobid on praegu erinevates valdkondades asendamatud ja praegused uuringud näitavad, et väiksemaid optilisi güroskoope on võimalik konstrueerida, kuigi võib kuluda veidi aega, enne kui see laborikujundus kaubanduslikult kättesaadavaks saab.
***
{Saate lugeda esialgset uurimistööd, klõpsates alltoodud allika(te) loendis DOI lingil}
Allikas (d)
Khial PP et al 2018. Nanofotooniline optiline güroskoop koos vastastikuse tundlikkuse suurendamisega. Looduse fotoonika. 12 lõige 11. https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5
***
