Ingenieurs het die wêreld se kleinste ligwaarnemende gyroskoop gebou wat maklik in die kleinste draagbare moderne tegnologie geïntegreer kan word.
Giroskope is algemeen in elke tegnologie wat ons vandag gebruik. Giroskope word in voertuie, hommeltuie en elektroniese toestelle soos selfone en draagbare toestelle gebruik, aangesien hulle help om die korrekte oriëntasie van 'n toestel in driedimensionele (3D) ruimte te bepaal. Oorspronklik was 'n giroskoop 'n toestel van 'n wiel wat die wiel help om vinnig om 'n as in verskillende rigtings te draai. 'n Standaard optiese giroskoop bevat 'n opgerolde optiese vesel wat 'n pulslaserlig dra. Dit loop in kloksgewyse of antikloksgewyse rigting. In teenstelling hiermee is moderne giroskope sensors, byvoorbeeld in selfone is daar mikro-elektromeganiese sensors (MEMS). Hierdie sensors meet kragte wat op twee entiteite van identiese massa inwerk, maar wat in twee verskillende rigtings beweeg.
Die Sagnac-effek
Die sensors, hoewel hulle nou wyd gebruik word, het beperkte sensitiwiteit en daarom is optiese giroskope nodig. 'n Belangrike verskil is dat optiese giroskope 'n soortgelyke taak kan verrig, maar sonder enige bewegende dele en met meer akkuraatheid. Dit is bereikbaar deur die Sagnac-effek, 'n optiese verskynsel wat Einstein se algemene relatiwiteitsteorie gebruik om veranderinge in hoeksnelheid op te spoor. Tydens die Sagnac-effek word 'n laserstraal in twee onafhanklike strale verdeel wat nou in teenoorgestelde rigtings langs 'n afgeronde pad beweeg en uiteindelik by een ligdetektor ontmoet. Dit gebeur slegs as die toestel staties is en hoofsaaklik omdat lig teen 'n konstante spoed beweeg. As die toestel egter roteer, word die ligbaan ook geroteer, wat veroorsaak dat die twee afsonderlike strale die ligdetektor op 'n ander tydstip bereik. Hierdie faseverskuiwing word die Sagnac-effek genoem en hierdie verskil in sinchronisasie word deur die giroskoop gemeet en gebruik om oriëntasie te bereken.
Die Sagnac-effek is baie sensitief vir geraas in die sein en enige omliggende geraas soos klein termiese fluktuasies of vibrasies kan die strale ontwrig terwyl hulle beweeg. En as die giroskoop aansienlik kleiner is, is dit meer geneig tot ontwrigting. Optiese gyroskope is natuurlik baie meer effektief, maar dit is steeds 'n uitdaging om optiese gyroskope af te skaal, dws hul grootte te verminder, want soos hulle kleiner word, verswak die sein wat van hul sensors gestuur word ook en raak dan verlore in die geraas wat gegenereer word deur al die verstrooide lig. Dit veroorsaak dat die giroskoop meer probleme ondervind om beweging op te spoor. Hierdie scenario het die ontwerp van kleiner optiese gyroskope beperk. Die kleinste giroskoop wat 'n goeie werkverrigting het, is ten minste die grootte van 'n gholfbal en dus ongeskik vir klein draagbare toestelle.
Nuwe ontwerp vir 'n klein giroskoop
Navorsers aan die California Institute of Technology USA het 'n optiese giroskoop met baie lae geraas ontwerp wat laser in plaas van MEMS-sensors gebruik en ekwivalente resultate lewer. Hul studie is gepubliseer in Nature Photonics . Hulle het 'n klein 2 vierkante mm silikon-skyfie geneem en 'n kanaal daarop geïnstalleer om lig te lei. Hierdie kanaal help om lig in elke rigting om 'n sirkel te beweeg. Ingenieurs het wederkerige geraas uitgeskakel deur die pad van laserstrale te verleng deur twee skywe te gebruik. Namate die pad van die straal langer word, word die hoeveelheid geraas gelykmatig uitgewerk, wat lei tot akkurate meting wanneer die twee strale ontmoet. Dit maak die gebruik van kleiner toestelle moontlik, maar handhaaf steeds akkurate resultate. Die toestel keer ook die rigting van die lig om te help met geraasonderdrukking. Hierdie innoverende girosensor word XV-35000CB genoem. Die verbeterde werkverrigting is bereik deur die 'wederkerige sensitiwiteitsverbeterings'-metode. Wederkerig beteken dat dit twee onafhanklike ligstrale op dieselfde manier beïnvloed. Die Sagnac-effek is gebaseer op die opsporing van verandering tussen hierdie twee strale terwyl hulle in teenoorgestelde rigtings beweeg, en dit is gelykstaande aan nie-wederkerig te wees. Die lig beweeg deur mini-optiese golfgidse, wat klein leidings is wat lig dra, soortgelyk aan drade in 'n elektriese stroombaan. Enige onvolmaakthede in die optiese pad of eksterne interferensie sal beide strale beïnvloed.
Verbetering van wederkerige sensitiwiteit verbeter die sein-tot-geraas-verhouding wat dit moontlik maak om hierdie optiese giroskoop op 'n klein skyfie, miskien die grootte van die punt van 'n vingernael, te integreer. Hierdie piepklein giroskoop is ten minste 500 keer kleiner in grootte as bestaande toestelle, maar kan faseverskuiwings 30 keer kleiner as die huidige stelsels suksesvol opspoor. Hierdie sensor kan hoofsaaklik in stelsels gebruik word om vibrasies van 'n kamera reg te stel. Gyroskope is nou onontbeerlik in verskillende velde en huidige navorsing toon dat kleiner optiese gyroskope moontlik is om te ontwerp al kan dit 'n geruime tyd neem vir hierdie laboratoriumontwerp om kommersieel beskikbaar te wees.
***
Bronne)
Khial PP et al. 2018. Nanofotoniese optiese giroskoop met wederkerige sensitiwiteitsverbetering. Nature Photonics . 12(11). https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5
***
