Οι μηχανικοί κατασκεύασαν το πιο μικροσκοπικό γυροσκόπιο με αίσθηση φωτός που θα μπορούσε εύκολα να ενσωματωθεί στη μικρότερη φορητή σύγχρονη τεχνολογία.
Γυροσκόπια είναι κοινά σε κάθε τεχνολογία που χρησιμοποιούμε στη σημερινή εποχή. Τα γυροσκόπια χρησιμοποιούνται σε οχήματα, drones και ηλεκτρονικές συσκευές όπως κινητά και φορητά, καθώς βοηθούν στη γνώση του σωστού προσανατολισμού μιας συσκευής στον τρισδιάστατο (3D) χώρο. Αρχικά, ένα γυροσκόπιο είναι μια συσκευή τροχού που βοηθά τον τροχό να περιστρέφεται γρήγορα σε έναν άξονα σε διαφορετικές κατευθύνσεις. Ένα πρότυπο οπτικός Το γυροσκόπιο περιέχει μια τυλιγμένη οπτική ίνα που μεταφέρει ένα παλμικό φως λέιζερ. Αυτό εκτελείται είτε δεξιόστροφα είτε αριστερόστροφα. Αντίθετα, τα σύγχρονα γυροσκόπια είναι αισθητήρες, για παράδειγμα στα κινητά τηλέφωνα υπάρχουν μικροηλεκτρομηχανικοί αισθητήρες (MEMS). Αυτοί οι αισθητήρες μετρούν δυνάμεις που δρουν σε δύο οντότητες ίδιας μάζας αλλά που κυμαίνονται σε δύο διαφορετικές κατευθύνσεις.
Το φαινόμενο Sagnac
Οι αισθητήρες αν και τώρα χρησιμοποιούνται ευρέως έχουν περιορισμένη ευαισθησία και επομένως οπτικά γυροσκόπια χρειάζονται. Μια κρίσιμη διαφορά είναι ότι τα οπτικά γυροσκόπια είναι σε θέση να εκτελέσουν παρόμοια εργασία αλλά χωρίς κινητά μέρη και με μεγαλύτερη ακρίβεια. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με το φαινόμενο Sagnac, ένα οπτικό φαινόμενο που χρησιμοποιεί τη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν για να ανιχνεύσει αλλαγές στη γωνιακή ταχύτητα. Κατά τη διάρκεια του φαινομένου Sagnac, μια δέσμη φωτός λέιζερ διασπάται σε δύο ανεξάρτητες δέσμες που ταξιδεύουν τώρα σε αντίθετες κατευθύνσεις κατά μήκος μιας στρογγυλεμένης διαδρομής που τελικά συναντώνται σε έναν ανιχνευτή φωτός. Αυτό συμβαίνει μόνο εάν η συσκευή είναι στατική και κυρίως επειδή το φως ταξιδεύει με σταθερή ταχύτητα. Ωστόσο, εάν η συσκευή περιστρέφεται, η διαδρομή του φωτός περιστρέφεται επίσης με αποτέλεσμα οι δύο ξεχωριστές δέσμες να φτάσουν στον ανιχνευτή φωτός σε διαφορετικό χρονικό σημείο. Αυτή η μετατόπιση φάσης ονομάζεται φαινόμενο Sagnac και αυτή η διαφορά στο συγχρονισμό μετράται από το γυροσκόπιο και χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό του προσανατολισμού.
Το φαινόμενο Sagnac είναι πολύ ευαίσθητο στο θόρυβο στο σήμα και οποιοσδήποτε θόρυβος του περιβάλλοντος, όπως μικρές θερμικές διακυμάνσεις ή δονήσεις, μπορεί να διαταράξει τις δέσμες καθώς ταξιδεύουν. Και αν το γυροσκόπιο είναι πολύ μικρότερου μεγέθους, τότε είναι πιο επιρρεπές σε διαταραχές. Τα οπτικά γυροσκόπια είναι προφανώς πολύ πιο αποτελεσματικά, αλλά εξακολουθεί να είναι μια πρόκληση να μειώσετε τα οπτικά γυροσκόπια, δηλαδή να μειώσετε το μέγεθός τους, επειδή καθώς γίνονται μικρότερα, το σήμα που μεταδίδεται από τους αισθητήρες τους εξασθενεί και στη συνέχεια χάνεται στον θόρυβο που δημιουργείται από όλα τα διασκορπισμένα φως. Αυτό προκαλεί μεγαλύτερη δυσκολία στο γυροσκόπιο στην ανίχνευση κίνησης. Αυτό το σενάριο έχει περιορίσει τη σχεδίαση μικρότερων οπτικών γυροσκόπιων. Το μικρότερο γυροσκόπιο με καλή απόδοση έχει τουλάχιστον το μέγεθος μιας μπάλας του γκολφ και επομένως ακατάλληλο για μικρές φορητές συσκευές.
Νέο σχέδιο για ένα μικρό γυροσκόπιο
Ερευνητές του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καλιφόρνια στις ΗΠΑ σχεδίασαν ένα οπτικό γυροσκόπιο με πολύ χαμηλό θόρυβο που χρησιμοποιεί λέιζερ αντί για αισθητήρες MEMS και λαμβάνει ισοδύναμα αποτελέσματα. Η μελέτη τους δημοσιεύεται στο Nature Photonics. Πήραν ένα μικροσκοπικό τσιπ πυριτίου 2 τετραγωνικών χιλιοστών και τοποθέτησαν ένα κανάλι σε αυτό για να καθοδηγεί το φως. Αυτό το κανάλι βοηθά στην καθοδήγηση του φωτός να ταξιδεύει προς κάθε κατεύθυνση γύρω από έναν κύκλο. Οι μηχανικοί εξαλείφουν τον αμοιβαίο θόρυβο επιμηκύνοντας τη διαδρομή των ακτίνων λέιζερ χρησιμοποιώντας δύο δίσκους. Καθώς η διαδρομή της δέσμης γίνεται μεγαλύτερη, η ποσότητα του θορύβου εξομαλύνεται με αποτέλεσμα την ακριβή μέτρηση όταν οι δύο δέσμες συναντώνται. Αυτό επιτρέπει τη χρήση μικρότερης συσκευής, αλλά εξακολουθεί να διατηρεί ακριβή αποτελέσματα. Η συσκευή αντιστρέφει επίσης την κατεύθυνση του φωτός για να βοηθήσει στην ακύρωση θορύβου. Αυτός ο πρωτοποριακός γυροσκοπικός αισθητήρας ονομάζεται XV-35000CB. Η βελτιωμένη απόδοση επιτεύχθηκε με τη μέθοδο «αμοιβαίας ενίσχυσης ευαισθησίας». Αμοιβαία σημαίνει ότι επηρεάζει δύο ανεξάρτητες δέσμες φωτός με τον ίδιο τρόπο. Το φαινόμενο Sagnac βασίζεται στην ανίχνευση της αλλαγής μεταξύ αυτών των δύο δεσμών καθώς ταξιδεύουν σε αντίθετες κατευθύνσεις και αυτό ισοδυναμεί με μη αμοιβαία. Το φως ταξιδεύει μέσω μίνι οπτικών κυματοδηγών, οι οποίοι είναι μικροί αγωγοί που μεταφέρουν φως, παρόμοια με τα καλώδια σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα. Τυχόν ατέλειες στην οπτική διαδρομή ή εξωτερικές παρεμβολές θα επηρεάσουν και τις δύο δέσμες.
Η ενίσχυση της αμοιβαίας ευαισθησίας βελτιώνει την αναλογία σήματος προς θόρυβο, επιτρέποντας σε αυτό το οπτικό γυροσκόπιο να ενσωματωθεί σε ένα μικροσκοπικό τσιπ, ίσως το μέγεθος της άκρης του νυχιού. Αυτό το μικροσκοπικό γυροσκόπιο είναι τουλάχιστον 500 φορές μικρότερο σε μέγεθος από τις υπάρχουσες συσκευές, αλλά μπορεί να ανιχνεύσει με επιτυχία μετατοπίσεις φάσης 30 φορές μικρότερες από τα τρέχοντα συστήματα. Αυτός ο αισθητήρας μπορεί να χρησιμοποιηθεί κυρίως σε συστήματα για τη διόρθωση των κραδασμών μιας κάμερας. Τα γυροσκόπια είναι πλέον απαραίτητα σε διαφορετικούς τομείς και η τρέχουσα έρευνα δείχνει ότι είναι δυνατό να σχεδιαστούν μικρότερα οπτικά γυροσκόπια, αν και μπορεί να χρειαστεί λίγος χρόνος για να διατεθεί στο εμπόριο αυτό το εργαστηριακό σχέδιο.
***
{Μπορείτε να διαβάσετε την αρχική ερευνητική εργασία κάνοντας κλικ στον σύνδεσμο DOI που δίνεται παρακάτω στη λίστα των αναφερόμενων πηγών}
Πηγές)
Khial PP et al 2018. Νανοφωτονικό οπτικό γυροσκόπιο με ενίσχυση της αμοιβαίας ευαισθησίας. Nature Photonics. 12 (11). https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5
***
