Inžinieri zostrojili najmenší svetelný gyroskop na svete, ktorý možno ľahko integrovať do najmenšej prenosnej modernej technológie.
Gyroskopy sú bežné v každej technológii, ktorú v dnešnej dobe používame. Gyroskopy sa používajú vo vozidlách, dronoch a elektronických zariadeniach, ako sú mobily a nositeľné zariadenia, pretože pomáhajú poznať správnu orientáciu zariadenia v trojrozmernom (3D) priestore. Pôvodne bol gyroskop zariadenie kolesa, ktoré pomáha kolesu rýchlo sa otáčať na osi v rôznych smeroch. Štandard optický gyroskop obsahuje cievkové optické vlákno prenášajúce pulzné laserové svetlo. To prebieha buď v smere alebo proti smeru hodinových ručičiek. Naproti tomu moderné gyroskopy sú senzory, napríklad v mobilných telefónoch sú prítomné mikroelektromechanické senzory (MEMS). Tieto senzory merajú sily, ktoré pôsobia na dve entity s rovnakou hmotnosťou, ktoré však kolíšu v dvoch rôznych smeroch.
Sagnacov efekt
Senzory, ktoré sa v súčasnosti bežne používajú, majú obmedzenú citlivosť, a teda optické gyroskopy sú potrebné. Zásadným rozdielom je, že optické gyroskopy sú schopné vykonávať podobnú úlohu, ale bez akýchkoľvek pohyblivých častí as väčšou presnosťou. To je možné dosiahnuť Sagnacovým efektom, optickým javom, ktorý využíva Einsteinovu teóriu všeobecnej relativity na detekciu zmien uhlovej rýchlosti. Počas Sagnacovho efektu sa lúč laserového svetla rozbije na dva nezávislé lúče, ktoré sa teraz pohybujú v opačných smeroch pozdĺž zaoblenej dráhy a nakoniec sa stretnú na jednom svetelnom detektore. Stáva sa to iba vtedy, ak je zariadenie statické a hlavne preto, že svetlo sa pohybuje konštantnou rýchlosťou. Ak sa však zariadenie otáča, dráha svetla sa tiež otáča, čo spôsobuje, že dva samostatné lúče dosiahnu detektor svetla v inom časovom bode. Tento fázový posun sa nazýva Sagnacov efekt a tento rozdiel v synchronizácii sa meria gyroskopom a používa sa na výpočet orientácie.
Efekt Sagnac je veľmi citlivý na šum v signáli a akýkoľvek okolitý hluk, ako sú malé teplotné výkyvy alebo vibrácie, môže narušiť lúče počas ich pohybu. A ak je gyroskop podstatne menšej veľkosti, potom je náchylnejší na poruchy. Optické gyroskopy sú samozrejme oveľa efektívnejšie, ale stále je výzvou zmenšiť optické gyroskopy, tj zmenšiť ich veľkosť, pretože keď sa zmenšujú, signál prenášaný z ich snímačov tiež slabne a potom sa stráca v šume, ktorý je generovaný všetkými rozptýlenými svetlo. To spôsobuje gyroskopu väčšie ťažkosti pri detekcii pohybu. Tento scenár obmedzil návrh menších optických gyroskopov. Najmenší gyroskop s dobrým výkonom má veľkosť minimálne golfovej loptičky a je teda nevhodný pre malé prenosné zariadenia.
Nový dizajn pre malý gyroskop
Výskumníci z Kalifornského technologického inštitútu v USA navrhli optický gyroskop s veľmi nízkym šumom, ktorý namiesto MEMS senzorov používa laser a dosahuje ekvivalentné výsledky. Ich štúdia je publikovaná v Príroda Photonics. Vzali malý silikónový čip s veľkosťou 2 mm a nainštalovali naň kanál na vedenie svetla. Tento kanál pomáha viesť svetlo, aby sa pohybovalo v každom smere okolo kruhu. Inžinieri odstránili recipročný hluk predĺžením dráhy laserových lúčov pomocou dvoch diskov. Keď sa dráha lúča predĺži, množstvo šumu sa vyrovná, čo vedie k presnému meraniu, keď sa dva lúče stretnú. To umožňuje použitie menšieho zariadenia, ale stále zachováva presné výsledky. Zariadenie tiež obráti smer svetla, aby pomohlo potlačiť hluk. Tento inovatívny gyroskopický senzor má názov XV-35000CB. Zlepšený výkon bol dosiahnutý metódou „recipročného zvyšovania citlivosti“. Recipročný znamená, že ovplyvňuje dva nezávislé lúče svetla rovnakým spôsobom. Sagnacov efekt je založený na detekcii zmeny medzi týmito dvoma lúčmi, keď sa pohybujú v opačných smeroch, čo sa rovná nerecipročnému. Svetlo prechádza cez mini optické vlnovody, čo sú malé kanály, ktoré prenášajú svetlo, podobne ako drôty v elektrickom obvode. Akékoľvek nedokonalosti v optickej dráhe alebo vonkajšie rušenie ovplyvnia oba lúče.
Vylepšenie recipročnej citlivosti zlepšuje pomer signálu k šumu, čo umožňuje integráciu tohto optického gyroskopu na malý čip s veľkosťou špičky nechtu. Tento malý gyroskop je najmenej 500-krát menší ako existujúce zariadenia, ale dokáže úspešne odhaliť fázové posuny 30-krát menšie ako súčasné systémy. Tento snímač možno primárne použiť v systémoch na korekciu vibrácií kamery. Gyroskopy sú teraz nenahraditeľné v rôznych oblastiach a súčasný výskum ukazuje, že je možné navrhnúť menšie optické gyroskopy, hoci môže chvíľu trvať, kým bude tento laboratórny dizajn komerčne dostupný.
***
{Pôvodný výskumný dokument si môžete prečítať kliknutím na odkaz DOI uvedený nižšie v zozname citovaných zdrojov}
Zdroj (e)
Khial PP et al 2018. Nanofotonický optický gyroskop s recipročným zvýšením citlivosti. Príroda Photonics. 12 ods. https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5
***
