Інжынеры пабудавалі самы маленькі ў свеце гіраскоп, які адчувае святло, які можна было б лёгка інтэграваць у самыя маленькія партатыўныя сучасныя тэхналогіі.
Гіроскопы з'яўляюцца агульнымі ва ўсіх тэхналогіях, якія мы выкарыстоўваем у сённяшнія часы. Гіраскопы выкарыстоўваюцца ў транспартных сродках, беспілотных лятальных апаратах і электронных прыладах, такіх як мабільныя і носныя прылады, паколькі яны дапамагаюць ведаць правільную арыентацыю прылады ў трохмернай (3D) прасторы. Першапачаткова гіраскоп - гэта прылада кола, якое дапамагае колу хутка круціцца вакол восі ў розных напрамках. Стандартны аптычны гіраскоп змяшчае наматанае аптычнае валакно, якое нясе імпульснае лазернае святло. Гэта працуе па гадзіннікавай стрэлцы або супраць гадзінны стрэлкі. У адрозненне ад гэтага, сучасныя гіраскопы - гэта датчыкі, напрыклад, у мабільных тэлефонах прысутнічае мікраэлектрамеханічны датчык (MEMS). Гэтыя датчыкі вымяраюць сілы, якія дзейнічаюць на два аб'екта аднолькавай масы, але вагаюцца ў двух розных напрамках.
Эфект Саньяка
Датчыкі, хоць зараз шырока выкарыстоўваюцца, маюць абмежаваную адчувальнасць і, такім чынам, аптычныя гіраскопы патрэбныя. Важнае адрозненне заключаецца ў тым, што аптычныя гіраскопы здольныя выконваць падобную задачу, але без рухомых частак і з большай дакладнасцю. Гэта дасягаецца з дапамогай эфекту Саньяка, аптычнага феномена, які выкарыстоўвае агульную тэорыю адноснасці Эйнштэйна для выяўлення змяненняў вуглавой хуткасці. Падчас эфекту Саньяка прамень лазернага святла разбіваецца на два незалежных пучка, якія цяпер рухаюцца ў процілеглых напрамках па закругленай траекторыі, у канчатковым выніку сустракаючыся на адным дэтэктары святла. Гэта адбываецца толькі ў тым выпадку, калі прылада статычная і ў асноўным таму, што святло рухаецца з пастаяннай хуткасцю. Аднак, калі прылада круціцца, шлях святла таксама паварочваецца, у выніку чаго два асобных прамяня дасягаюць дэтэктара святла ў іншы момант часу. Гэты зрух фазы называецца эфектам Саньяка, і гэтая розніца ў сінхранізацыі вымяраецца гіраскопам і выкарыстоўваецца для разліку арыентацыі.
Эфект Саньяка вельмі адчувальны да шуму ў сігнале, і любы навакольны шум, напрыклад невялікія цеплавыя ваганні або вібрацыі, можа парушаць прамяні падчас іх руху. А калі гіраскоп значна меншага памеру, то ён больш схільны да збояў. Аптычныя гіраскопы, відавочна, значна больш эфектыўныя, але ўсё яшчэ складана паменшыць аптычныя гіраскопы, т. е. паменшыць іх памер, таму што, калі яны становяцца меншымі, сігнал, які перадаецца ад іх датчыкаў, таксама слабее, а затым губляецца ў шуме, які генеруецца ўсімі рассеянымі гіраскопамі. святло. Гэта выклікае гіраскоп больш цяжкасці ў выяўленні руху. Гэты сцэнар абмежаваў канструкцыю меншых аптычных гіраскопаў. Самы маленькі гіраскоп, які валодае добрай прадукцыйнасцю, мае памер як мінімум з мяч для гольфа і, такім чынам, непрыдатны для невялікіх партатыўных прылад.
Новы дызайн для маленькага гіраскопа
Даследчыкі з Каліфарнійскага тэхналагічнага інстытута ЗША распрацавалі аптычны гіраскоп з вельмі нізкім узроўнем шуму, які выкарыстоўвае лазер замест датчыкаў MEMS і атрымлівае эквівалентныя вынікі. Іх даследаванне апублікавана ў прырода Photonics. Яны ўзялі малюсенькі крэмніевы чып памерам 2 квадратных мм і ўсталявалі на ім канал для навядзення святла. Гэты канал дапамагае накіраваць святло ва ўсіх напрамках па акружнасці. Інжынеры ліквідавалі ўзаемны шум, падаўжаючы шлях лазерных прамянёў з дапамогай двух дыскаў. Паколькі шлях прамяня становіцца даўжэйшым, колькасць шуму выраўноўваецца, што прыводзіць да дакладнага вымярэння пры сустрэчы двух прамянёў. Гэта дазваляе выкарыстоўваць прыладу меншага памеру, але пры гэтым захоўваць дакладныя вынікі. Прылада таксама змяняе кірунак святла на адваротнае, каб дапамагчы пагашэння шуму. Гэты інавацыйны гірадатчык атрымаў назву XV-35000CB. Палепшаная прадукцыйнасць была дасягнута метадам «ўзаемнага павышэння адчувальнасці». Узаемнае азначае, што ён уздзейнічае на два незалежныя прамяні святла аднолькава. Эфект Саньяка заснаваны на выяўленні змены паміж гэтымі двума прамянямі, калі яны рухаюцца ў процілеглых напрамках, і гэта роўна няўзаемнасці. Святло праходзіць праз міні-аптычныя хваляводы, якія ўяўляюць сабой невялікія каналы, якія нясуць святло, падобны на драты ў электрычнай ланцугу. Любыя недахопы ў аптычным шляху або знешнія перашкоды будуць уплываць на абодва прамяня.
Павышэнне ўзаемнай адчувальнасці паляпшае стаўленне сігнал/шум, што дазваляе ўключыць гэты аптычны гіраскоп у малюсенькі чып памерам, можа быць, з кончык пазногця. Гэты малюсенькі гіраскоп па меншай меры ў 500 разоў меншы па памерах, чым існуючыя прылады, але можа паспяхова выяўляць зрухі фаз, у 30 разоў меншыя, чым сучасныя сістэмы. Гэты датчык можа быць у асноўным выкарыстаны ў сістэмах для карэкцыі вібрацый камеры. Гіраскопы цяпер незаменныя ў розных галінах, і сучасныя даследаванні паказваюць, што можна распрацаваць аптычныя гіраскопы меншага памеру, хоць можа спатрэбіцца некаторы час, каб гэтая лабараторная канструкцыя стала камерцыйна даступнай.
***
{Вы можаце прачытаць арыгінальную даследчую працу, націснуўшы на спасылку DOI, прыведзены ніжэй у спісе цытуемых крыніц}
Крыніца (я)
Khial PP et al 2018. Нанафатанічны аптычны гіраскоп з узаемным павышэннем адчувальнасці. прырода Photonics. 12 (11). https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5
***
