Inžinieriai sukūrė mažiausią pasaulyje šviesos jutimo giroskopą, kurį būtų galima lengvai integruoti į mažiausią nešiojamąją šiuolaikinę technologiją.
Giroskopai yra paplitę visose technologijose, kurias naudojame šiais laikais. Giroskopai naudojami transporto priemonėse, dronuose ir elektroniniuose įrenginiuose, pvz., mobiliuosiuose ir nešiojamuosiuose įrenginiuose, nes jie padeda nustatyti teisingą įrenginio orientaciją trimatėje (3D) erdvėje. Iš pradžių giroskopas yra rato įtaisas, padedantis ratui greitai suktis apie ašį įvairiomis kryptimis. Standartas optinis Giroskope yra susuktas optinis pluoštas, nešantis impulsinį lazerio šviesą. Tai veikia pagal laikrodžio rodyklę arba prieš laikrodžio rodyklę. Priešingai, šiuolaikiniai giroskopai yra jutikliai, pavyzdžiui, mobiliuosiuose telefonuose yra mikroelektromechaninis jutiklis (MEMS). Šie jutikliai matuoja jėgas, kurios veikia dvi vienodos masės objektus, bet svyruoja dviem skirtingomis kryptimis.
Sagnac efektas
Nors dabar plačiai naudojami jutikliai, jų jautrumas yra ribotas, taigi optiniai giroskopai yra reikalingi. Esminis skirtumas yra tas, kad optiniai giroskopai gali atlikti panašią užduotį, bet be jokių judamųjų dalių ir tiksliau. Tai pasiekiama naudojant Sagnac efektą – optinį reiškinį, kuris naudoja Einšteino bendrosios reliatyvumo teoriją, kad nustatytų kampinio greičio pokyčius. Sagnac efekto metu lazerio šviesos spindulys suskaidomas į du nepriklausomus pluoštus, kurie dabar sklinda priešingomis kryptimis apvaliu keliu, galiausiai susitinkančiu su vienu šviesos detektoriumi. Taip atsitinka tik tuo atveju, jei prietaisas yra statinis ir daugiausia todėl, kad šviesa sklinda pastoviu greičiu. Tačiau, jei prietaisas sukasi, šviesos kelias taip pat pasisuka, todėl du atskiri pluoštai pasiekia šviesos detektorių skirtingu laiko tašku. Šis fazės poslinkis vadinamas Sagnac efektu, o šis sinchronizacijos skirtumas matuojamas giroskopu ir naudojamas orientacijai apskaičiuoti.
„Sagnac“ efektas yra labai jautrus signalo triukšmui, o bet koks aplinkinis triukšmas, pvz., nedideli šilumos svyravimai ar vibracija, gali sutrikdyti spindulius jiems keliaujant. Ir jei giroskopas yra žymiai mažesnio dydžio, jis yra labiau linkęs trikdyti. Akivaizdu, kad optiniai giroskopai yra daug efektyvesni, tačiau vis dar yra iššūkis sumažinti optinių giroskopų mastelį, ty sumažinti jų dydį, nes mažėjant jų jutiklių perduodamas signalas taip pat susilpnėja ir pasimeta triukšme, kurį sukuria visi išsklaidyti šviesa. Dėl to giroskopas sunkiau aptinka judesį. Šis scenarijus apribojo mažesnių optinių giroskopų dizainą. Mažiausias giroskopas, turintis gerą našumą, yra bent golfo kamuoliuko dydžio, todėl netinkamas mažiems nešiojamiems prietaisams.
Naujas mažo giroskopo dizainas
JAV Kalifornijos technologijų instituto mokslininkai sukūrė optinį giroskopą su labai mažu triukšmu, kuriame vietoj MEMS jutiklių naudojamas lazeris ir gaunami lygiaverčiai rezultatai. Jų tyrimas paskelbtas m Gamtos fotonika. Jie paėmė mažą 2 kvadratinių mm silicio lustą ir įrengė joje kanalą šviesai nukreipti. Šis kanalas padeda nukreipti šviesą į visas puses aplink apskritimą. Inžinieriai pašalino abipusį triukšmą, pailgindami lazerio spindulių kelią, naudodami du diskus. Kadangi spindulio kelias ilgėja, triukšmo lygis išlyginamas, todėl tiksliai matuojama, kai susitinka du spinduliai. Tai leidžia naudoti mažesnį įrenginį, bet vis tiek išlaikyti tikslius rezultatus. Prietaisas taip pat keičia šviesos kryptį, kad padėtų slopinti triukšmą. Šis naujoviškas giroskopinis jutiklis pavadintas XV-35000CB. Patobulintas našumas buvo pasiektas „abipusio jautrumo didinimo“ metodu. Abipusis reiškia, kad jis vienodai veikia du nepriklausomus šviesos pluoštus. Sagnac efektas pagrįstas pokyčio tarp šių dviejų spindulių aptikimu, kai jie juda priešingomis kryptimis, ir tai prilygsta abipusiam poveikiui. Šviesa sklinda per mini optinius bangolaidžius, kurie yra maži vamzdeliai, pernešantys šviesą, panašūs į laidus elektros grandinėje. Bet kokie optinio kelio trūkumai arba išoriniai trukdžiai turės įtakos abiem spinduliams.
Padidėjęs abipusis jautrumas pagerina signalo ir triukšmo santykį, todėl šį optinį giroskopą galima integruoti į mažą lustą, galbūt iki nago galiuko dydžio. Šis mažas giroskopas yra mažiausiai 500 kartų mažesnis nei esami įrenginiai, tačiau gali sėkmingai aptikti fazių poslinkius, 30 kartų mažesnius nei dabartinės sistemos. Šis jutiklis pirmiausia gali būti naudojamas sistemose kameros vibracijai koreguoti. Giroskopai dabar yra nepakeičiami įvairiose srityse, o dabartiniai tyrimai rodo, kad galima sukurti mažesnius optinius giroskopus, nors gali praeiti šiek tiek laiko, kol šis laboratorijos dizainas bus parduodamas.
***
{Galite perskaityti pradinį tyrimo dokumentą spustelėję toliau pateiktą DOI nuorodą cituojamų šaltinių sąraše}
Šaltiniai)
Khial PP et al 2018. Nanofotoninis optinis giroskopas su abipusiu jautrumo padidinimu. Gamtos fotonika. 12 straipsnio 11 dalį. https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5
***
