Инженерите го изградија најмалиот жироскоп со сензори за светлина во светот кој може лесно да се интегрира во најмалата пренослива модерна технологија.
Гироскопи се вообичаени во секоја технологија што ја користиме во денешно време. Жироскопите се користат во возила, беспилотни летала и електронски уреди како мобилни и уреди за носење бидејќи помагаат да се знае правилната ориентација на уредот во тродимензионален (3Д) простор. Првично, жироскопот е уред на тркало што му помага на тркалото брзо да се врти по оската во различни насоки. Стандард оптички жироскопот содржи преклопено оптичко влакно кое носи пулсна ласерска светлина. Ова работи или во насока на стрелките на часовникот или спротивно од стрелките на часовникот. Спротивно на тоа, современите жироскопи се сензори, на пример во мобилните телефони има микроелектромеханички сензор (MEMS). Овие сензори ги мерат силите кои дејствуваат на два ентитета со идентична маса, но кои се колебаат во две различни насоки.
Ефектот Sagnac
Сензорите иако сега широко се користат имаат ограничена чувствителност и затоа оптички жироскопи се потребни. Клучна разлика е тоа што оптичките жироскопи се способни да извршуваат слична задача, но без никакви подвижни делови и со поголема точност. Ова може да се постигне со ефектот Сањак, оптички феномен кој ја користи Ајнштајновата теорија за општата релативност за да ги открие промените во аголната брзина. За време на ефектот Sagnac, зрак од ласерска светлина се распаѓа на два независни зраци кои сега патуваат во спротивни насоки по заоблената патека, која на крајот се среќава кај еден светлосен детектор. Ова се случува само ако уредот е статичен и главно затоа што светлината патува со постојана брзина. Меѓутоа, ако уредот се ротира, патеката на светлината исто така се ротира, предизвикувајќи двата одделни зраци да стигнат до детекторот на светлина во различна временска точка. Ова фазно поместување се нарекува Sagnac ефект и оваа разлика во синхронизацијата се мери со жироскоп и се користи за пресметување на ориентацијата.
Ефектот Sagnac е многу чувствителен на бучава во сигналот и секој околен шум како мали термички флуктуации или вибрации може да ги наруши зраците додека патуваат. И ако жироскопот е со значително помала големина, тогаш тој е повеќе склон кон прекин. Оптичките жироскопи се очигледно многу поефикасни, но сепак е предизвик да се намалат оптичките жироскопи, односно да се намали нивната големина, бидејќи како што стануваат помали, сигналот што се пренесува од нивните сензори исто така слабее и потоа се губи во бучавата што ја создаваат сите расеани светлина. Ова предизвикува жироскопот потешко да открие движење. Ова сценарио го ограничи дизајнот на помалите оптички жироскопи. Најмалиот жироскоп кој има добри перформанси е барем со големина на топче за голф и затоа е несоодветен за мали преносливи уреди.
Нов дизајн за мал жироскоп
Истражувачите од Калифорнискиот технолошки институт САД дизајнираа оптички жироскоп со многу мал шум кој користи ласер наместо MEMS сензори и добива еквивалентни резултати. Нивната студија е објавена во Фотоника на природата. Тие зедоа мал силиконски чип од 2 квадратни мм и инсталираа канал на него за да ја води светлината. Овој канал помага светлината да се движи во секоја насока околу кругот. Инженерите ја елиминираа реципрочната бучава со продолжување на патеката на ласерските зраци со користење на два диска. Како што патеката на зракот станува подолга, количината на бучава се изедначува што резултира со прецизно мерење кога двата зраци ќе се сретнат. Ова овозможува користење на помал уред, но сепак одржување на точни резултати. Уредот исто така ја менува насоката на светлината за да помогне во поништување на бучавата. Овој иновативен жиро сензор го носи името XV-35000CB. Подобрените перформанси беа постигнати со методот на „задоволување на чувствителноста“. Реципрочно значи дека влијае на два независни зраци на светлина на ист начин. Ефектот Sagnac се заснова на откривање на промената помеѓу овие два зраци бидејќи тие патуваат во спротивни насоки и тоа е еднакво на нереципрочно. Светлината патува низ мини оптички брановоди кои се мали проводници кои носат светлина, слично на жиците во електричното коло. Сите несовршености на оптичката патека или надворешните пречки ќе влијаат на двата зраци.
Зајакнувањето на реципрочната чувствителност го подобрува односот сигнал-шум што овозможува овој оптички жироскоп да се интегрира на мал чип можеби со големина на врвот на ноктот. Овој мал жироскоп е најмалку 500 пати помал по големина од постоечките уреди, но може успешно да открие фазни поместувања 30 пати помали од сегашните системи. Овој сензор може првенствено да се користи во системи за корекција на вибрациите на камерата. Жироскопите сега се незаменливи во различни полиња и сегашните истражувања покажуваат дека е можно да се дизајнираат помали оптички жироскопи, иако може да биде потребно извесно време за овој лабораториски дизајн да биде комерцијално достапен.
***
{Можете да го прочитате оригиналниот истражувачки труд со кликнување на врската DOI дадена подолу во списокот со цитирани извори}
Извор (и)
Khial PP et al 2018. Нанофотоничен оптички жироскоп со реципрочно подобрување на чувствителноста. Фотоника на природата. 12 (11). https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5
***
