Ingenjörer har byggt världens minsta ljusavkännande gyroskop som enkelt kan integreras i den minsta bärbara moderna tekniken.
Gyroskop är vanliga i all teknik som vi använder i dagens tid. Gyroskop används i fordon, drönare och elektroniska enheter som mobiler och bärbara enheter eftersom de hjälper till att veta den korrekta orienteringen av en enhet i tredimensionell (3D) rymd. Ursprungligen är ett gyroskop en anordning av ett hjul som hjälper hjulet att snurra snabbt på en axel i olika riktningar. En standard optisk gyroskopet innehåller en spolad optisk fiber som bär ett pulserande laserljus. Detta går antingen medurs eller moturs. Däremot är dagens gyroskop sensorer, till exempel i mobiltelefoner finns det mikroelektromekaniska sensorer (MEMS). Dessa sensorer mäter krafter som verkar på två enheter med identisk massa men som vacklar i två olika riktningar.
Sagnac-effekten
Sensorerna som nu används ofta har begränsad känslighet och därmed optiska gyroskop är behövda. En avgörande skillnad är att optiska gyroskop kan utföra en liknande uppgift men utan några rörliga delar och med större noggrannhet. Detta kan uppnås genom Sagnac-effekten, ett optiskt fenomen som använder Einsteins allmänna relativitetsteori för att upptäcka förändringar i vinkelhastighet. Under Sagnac-effekten bryts en laserstråle i två oberoende strålar som nu färdas i motsatta riktningar längs en rundad bana som så småningom möts vid en ljusdetektor. Detta händer bara om enheten är statisk och främst för att ljuset färdas med konstant hastighet. Men om enheten roterar, roteras ljusbanan också vilket gör att de två separata strålarna når ljusdetektorn vid en annan tidpunkt. Denna fasförskjutning kallas Sagnac-effekt och denna skillnad i synkronisering mäts av gyroskopet och används för att beräkna orientering.
Sagnac-effekten är mycket känslig för brus i signalen och allt omgivande brus som små termiska fluktuationer eller vibrationer kan störa strålarna när de färdas. Och om gyroskopet är av en betydligt mindre storlek är det mer benäget att störas. Optiska gyroskop är uppenbarligen mycket mer effektiva men det är fortfarande en utmaning att skala ner optiska gyroskop, dvs minska deras storlek, för när de blir mindre försvagas också signalen som sänds från deras sensorer och försvinner sedan i bruset som genereras av alla spridda gyroskop. ljus. Detta gör att gyroskopet svårare att upptäcka rörelse. Detta scenario har begränsat utformningen av mindre optiska gyroskop. Det minsta gyroskopet med bra prestanda är minst lika stort som en golfboll och är därför olämpligt för små bärbara enheter.
Ny design för ett litet gyroskop
Forskare vid California Institute of Technology USA har designat ett optiskt gyroskop med mycket lågt brus som använder laser istället för MEMS-sensorer och får motsvarande resultat. Deras studie publiceras i Naturfotonik. De tog ett litet 2-kvadrat-mm silikonchips och installerade en kanal på det för att styra ljuset. Denna kanal hjälper till att styra ljuset att färdas i alla riktningar runt en cirkel. Ingenjörer sårade bort ömsesidigt brus genom att förlänga vägen för laserstrålar genom att använda två skivor. När strålens bana blir längre utjämnas mängden brus vilket resulterar i noggrann mätning när de två strålarna möts. Detta möjliggör användning av mindre enheter men ändå bibehåller exakta resultat. Enheten vänder också om ljusets riktning för att hjälpa till med brusreducering. Denna innovativa gyrosensor heter XV-35000CB. Den förbättrade prestandan uppnåddes med metoden "ömsesidig känslighetsförbättring". Reciprok betyder att den påverkar två oberoende ljusstrålar på samma sätt. Sagnac-effekten är baserad på detektering av förändringar mellan dessa två strålar när de färdas i motsatta riktningar och detta motsvarar att vara icke-reciprok. Ljuset färdas genom optiska minivågledare som är små kanaler som bär ljus, liknande ledningar i en elektrisk krets. Eventuella brister i den optiska vägen eller yttre störningar kommer att påverka båda strålarna.
Förbättring av ömsesidig känslighet förbättrar signal-brusförhållandet, vilket gör att detta optiska gyroskop kan integreras på ett litet chip kanske storleken på spetsen på en nagel. Detta lilla gyroskop är minst 500 gånger mindre i storlek än befintliga enheter men kan framgångsrikt upptäcka fasförskjutningar 30 gånger mindre än de nuvarande systemen. Denna sensor kan främst användas i system för att korrigera vibrationer i en kamera. Gyroskop är nu oumbärliga inom olika områden och aktuell forskning visar att mindre optiska gyroskop är möjliga att designa även om det kan ta lite tid för denna laboratoriedesign att bli kommersiellt tillgänglig.
***
{Du kan läsa den ursprungliga forskningsartikeln genom att klicka på DOI-länken nedan i listan över citerade källor}
Källa (er)
Khial PP et al 2018. Nanofotoniskt optiskt gyroskop med reciprok känslighetsförbättring. Naturfotonik. 12 (11). https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5
***
