Inženýři postavili nejmenší gyroskop na světě snímající světlo, který lze snadno integrovat do nejmenší přenosné moderní technologie.
Gyroskopy jsou běžné v každé technologii, kterou v dnešní době používáme. Gyroskopy se používají ve vozidlech, dronech a elektronických zařízeních, jako jsou mobily a nositelná zařízení, protože pomáhají znát správnou orientaci zařízení v trojrozměrném (3D) prostoru. Původně byl gyroskop zařízení kola, které pomáhá kolu rychle se otáčet na ose v různých směrech. Standard optický gyroskop obsahuje cívkové optické vlákno přenášející pulzní laserové světlo. To probíhá ve směru nebo proti směru hodinových ručiček. Naproti tomu moderní gyroskopy jsou senzory, například v mobilních telefonech jsou přítomny mikroelektromechanické senzory (MEMS). Tyto senzory měří síly, které působí na dvě entity stejné hmotnosti, ale kolísají ve dvou různých směrech.
Sagnacův efekt
Senzory, i když jsou nyní široce používané, mají omezenou citlivost a tím optické gyroskopy jsou potřeba. Zásadním rozdílem je, že optické gyroskopy jsou schopny vykonávat podobný úkol, ale bez jakýchkoliv pohyblivých částí as větší přesností. Toho lze dosáhnout pomocí Sagnacova jevu, optického jevu, který využívá Einsteinovu teorii obecné relativity k detekci změn úhlové rychlosti. Během Sagnacova efektu je paprsek laserového světla rozbit na dva nezávislé paprsky, které se nyní pohybují v opačných směrech po zaoblené dráze, nakonec se setkají u jednoho světelného detektoru. K tomu dochází pouze v případě, že je zařízení statické a hlavně proto, že se světlo šíří konstantní rychlostí. Pokud se však zařízení otáčí, dráha světla se také otáčí, což způsobí, že dva samostatné paprsky dosáhnou detektoru světla v jiném časovém bodě. Tento fázový posun se nazývá Sagnacův efekt a tento rozdíl v synchronizaci je měřen gyroskopem a použit k výpočtu orientace.
Efekt Sagnac je velmi citlivý na šum v signálu a jakýkoli okolní hluk, jako jsou malé teplotní výkyvy nebo vibrace, může narušit paprsky při jejich pohybu. A pokud je gyroskop podstatně menší, pak je náchylnější k narušení. Optické gyroskopy jsou samozřejmě mnohem účinnější, ale stále je výzvou zmenšit optické gyroskopy, tj. zmenšit jejich velikost, protože jak se zmenšují, signál vysílaný z jejich senzorů také slábne a pak se ztrácí v šumu, který je generován všemi rozptýlenými světlo. To způsobuje gyroskopu větší potíže při detekci pohybu. Tento scénář omezil konstrukci menších optických gyroskopů. Nejmenší gyroskop s dobrým výkonem má velikost minimálně golfového míčku a je tak nevhodný pro malá přenosná zařízení.
Nový design pro malý gyroskop
Vědci z Kalifornského technologického institutu v USA navrhli optický gyroskop s velmi nízkým šumem, který místo MEMS senzorů používá laser a dosahuje ekvivalentních výsledků. Jejich studie je publikována v Přírodní fotonika. Vzali malý křemíkový čip o velikosti 2 mm a nainstalovali na něj kanál pro vedení světla. Tento kanál pomáhá vést světlo, aby se pohybovalo v každém směru po kruhu. Inženýři odstranili reciproční hluk prodloužením dráhy laserových paprsků pomocí dvou disků. Jak se dráha paprsku prodlužuje, množství šumu se vyrovnává, což vede k přesnému měření, když se dva paprsky setkají. To umožňuje používat menší zařízení, ale přesto zachovat přesné výsledky. Zařízení také obrátí směr světla, aby napomohlo potlačení hluku. Tento inovativní gyroskopický senzor se jmenuje XV-35000CB. Zlepšeného výkonu bylo dosaženo metodou „recipročního zvýšení citlivosti“. Reciproční znamená, že ovlivňuje dva nezávislé paprsky světla stejným způsobem. Sagnacův efekt je založen na detekci změny mezi těmito dvěma paprsky, když se pohybují v opačných směrech, což se rovná nereciproční. Světlo prochází mini optickými vlnovody, což jsou malá vedení, která přenášejí světlo, podobně jako dráty v elektrickém obvodu. Jakékoli nedokonalosti v optické dráze nebo vnější interference ovlivní oba paprsky.
Vylepšení reciproční citlivosti zlepšuje poměr signálu k šumu, což umožňuje integraci tohoto optického gyroskopu na malý čip o velikosti špičky nehtu. Tento malý gyroskop je nejméně 500krát menší než stávající zařízení, ale dokáže úspěšně detekovat fázové posuny 30krát menší než současné systémy. Tento snímač lze primárně použít v systémech pro korekci vibrací kamery. Gyroskopy jsou nyní nepostradatelné v různých oblastech a současný výzkum ukazuje, že je možné navrhnout menší optické gyroskopy, i když může nějakou dobu trvat, než bude tento laboratorní design komerčně dostupný.
***
{Původní výzkumný dokument si můžete přečíst kliknutím na odkaz DOI uvedený níže v seznamu citovaných zdrojů}
Zdroje)
Khial PP et al 2018. Nanofotonický optický gyroskop s recipročním zvýšením citlivosti. Přírodní fotonika. 12 (11). https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5
***
