РЕКЛАМА

Най-малкият оптичен жироскоп

НАУКИФИЗИКАНай-малкият оптичен жироскоп

Инженерите са изградили най-малкия светлочувствителен жироскоп в света, който може лесно да бъде интегриран в най-малката преносима модерна технология.

Жироскопи са често срещани във всяка технология, която използваме в днешно време. Жироскопите се използват в превозни средства, дронове и електронни устройства като мобилни и носими устройства, тъй като помагат да се разбере правилната ориентация на устройството в триизмерно (3D) пространство. Първоначално жироскопът е устройство на колело, което помага на колелото да се върти бързо по ос в различни посоки. Стандартен оптичен жироскопът съдържа намотано оптично влакно, носещо импулсна лазерна светлина. Това се извършва по посока на часовниковата стрелка или обратно на часовниковата стрелка. За разлика от тях съвременните жироскопи са сензори, например в мобилните телефони има микроелектромеханичен сензор (MEMS). Тези сензори измерват сили, които действат върху две единици с еднаква маса, но които се колебаят в две различни посоки.

Ефектът на Саняк

Сензорите, макар и широко използвани, имат ограничена чувствителност и по този начин оптични жироскопи са нужни. Решаваща разлика е, че оптичните жироскопи могат да изпълняват подобна задача, но без никакви подвижни части и с по-голяма точност. Това е постижимо чрез ефекта на Саняк, оптичен феномен, който използва общата теория на относителността на Айнщайн за откриване на промени в ъгловата скорост. По време на ефекта на Саняк, лъч лазерна светлина се разделя на два независими лъча, които сега се движат в противоположни посоки по заоблен път, който в крайна сметка се среща на един детектор на светлина. Това се случва само ако устройството е статично и главно защото светлината се движи с постоянна скорост. Въпреки това, ако устройството се върти, пътят на светлината също се завърта, което кара двата отделни лъча да достигнат до детектора на светлина в различна времева точка. Това фазово изместване се нарича ефект на Саняк и тази разлика в синхронизацията се измерва от жироскопа и се използва за изчисляване на ориентацията.

Ефектът на Саняк е много чувствителен към шума в сигнала и всеки околен шум като малки термични флуктуации или вибрации може да наруши лъчите, докато се движат. И ако жироскопът е със значително по-малък размер, тогава той е по-податлив на смущения. Оптичните жироскопи очевидно са много по-ефективни, но все още е предизвикателство да се намали мащаба на оптичните жироскопи, т.е. да се намали размерът им, тъй като когато стават по-малки, сигналът, предаван от техните сензори, също отслабва и след това се губи в шума, който се генерира от всички разпръснати светлина. Това затруднява жироскопа при откриване на движение. Този сценарий ограничи проектирането на по-малки оптични жироскопи. Най-малкият жироскоп с добра производителност е поне с размерите на топка за голф и по този начин не е подходящ за малки преносими устройства.

Нов дизайн за малък жироскоп

Изследователи от Калифорнийския технологичен институт в САЩ са проектирали оптичен жироскоп с много нисък шум, който използва лазер вместо MEMS сензори и получава еквивалентни резултати. Тяхното изследване е публикувано в Nature Photonics. Те взеха малък силициев чип от 2 квадратни мм и инсталираха канал върху него, за да насочва светлината. Този канал помага на светлината да се движи във всяка посока около кръг. Инженерите премахнаха реципрочния шум, като удължиха пътя на лазерните лъчи с помощта на два диска. Тъй като пътят на лъча става по-дълъг, количеството шум се изравнява, което води до точно измерване, когато двата лъча се срещнат. Това позволява използването на по-малко устройство, но все пак поддържа точни резултати. Устройството също така обръща посоката на светлината, за да подпомогне заглушаването на шума. Този иновативен жироскоп сензор е наречен XV-35000CB. Подобрената производителност беше постигната чрез метода на „реципрочно усилване на чувствителността“. Реципрочното означава, че въздейства на два независими светлинни лъча по същия начин. Ефектът на Саняк се основава на откриване на промяна между тези два лъча, тъй като те се движат в противоположни посоки и това се равнява на нереципрочност. Светлината преминава през мини оптични вълноводи, които са малки проводници, които пренасят светлина, подобно на проводници в електрическа верига. Всички несъвършенства в оптичния път или външни смущения ще засегнат и двата лъча.

Повишаването на реципрочната чувствителност подобрява съотношението сигнал/шум, позволявайки на този оптичен жироскоп да бъде интегриран в малък чип, може би с размер на върха на нокътя. Този малък жироскоп е поне 500 пъти по-малък по размер от съществуващите устройства, но може успешно да открива фазови измествания 30 пъти по-малки от настоящите системи. Този сензор може да се използва основно в системи за коригиране на вибрациите на камера. Жироскопите вече са незаменими в различни области и настоящите изследвания показват, че е възможно да се проектират по-малки оптични жироскопи, въпреки че може да отнеме известно време, докато този лабораторен дизайн бъде наличен в търговската мрежа.

***

{Можете да прочетете оригиналната изследователска статия, като щракнете върху връзката DOI, дадена по-долу в списъка с цитирани източници}

Източник (и)

Khial PP et al 2018. Нанофотонен оптичен жироскоп с реципрочно усилване на чувствителността. Nature Photonics. 12 (11). https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5

***

Екип на SCIEU
Екип на SCIEUhttps://www.ScientificEuropean.co.uk
Scientific European® | SCIEU.com | Значителен напредък в науката. Въздействие върху човечеството. Вдъхновяващи умове.

Абонирай се за нашия бюлетин

Да се ​​актуализира с всички най-нови новини, оферти и специални съобщения.

- Реклама -

Най-популярни статии

Масата на неутрино е по-малка от 0.8 eV

Експериментът KATRIN, натоварен да претегля неутрино, обяви...

Менструални чаши: надеждна екологична алтернатива

Жените се нуждаят от безопасни, ефективни и удобни санитарни продукти за...

Откриване на вътрешен земен минерал, давемаоит (CaSiO3-перовскит) на земната повърхност

Минералът Davemaoite (CaSiO3-перовскит, третият най-разпространен минерал в долните...
- Реклама -
99,636Феновекато
66,080последователиСледвай ни
6,297последователиСледвай ни
31АбонатиЗапиши се