Инжењери су направили најмањи жироскоп на свету са сензором светлости који се лако може интегрисати у најмању преносиву модерну технологију.
Жироскопи су уобичајене у свакој технологији коју користимо у данашње време. Жироскопи се користе у возилима, беспилотним летелицама и електронским уређајима као што су мобилни и носиви уређаји јер помажу у познавању тачне оријентације уређаја у тродимензионалном (3Д) простору. Првобитно, жироскоп је уређај точка који помаже точку да се брзо окреће око осе у различитим правцима. Стандард оптички жироскоп садржи намотано оптичко влакно које носи пулсно ласерско светло. Ово ради у смеру казаљке на сату или у супротном смеру. Насупрот томе, савремени жироскопи су сензори, на пример у мобилним телефонима постоји микроелектромеханички сензор (МЕМС). Ови сензори мере силе које делују на два ентитета идентичне масе, али се колебају у два различита смера.
Сањаков ефекат
Сензори, иако се сада широко користе, имају ограничену осетљивост и стога оптички жироскопи Потребни су. Кључна разлика је у томе што оптички жироскопи могу да изврше сличан задатак, али без икаквих покретних делова и са већом прецизношћу. Ово је могуће постићи Сањаковим ефектом, оптичким феноменом који користи Ајнштајнову теорију опште релативности за откривање промена угаоне брзине. Током Сагнац ефекта, сноп ласерске светлости се дели на два независна снопа који сада путују у супротним смеровима дуж заобљене путање и на крају се сусрећу на једном детектору светлости. Ово се дешава само ако је уређај статичан и углавном зато што светлост путује константном брзином. Међутим, ако се уређај ротира, пут светлости се такође ротира, што доводи до тога да два одвојена снопа стигну до детектора светлости у различитој временској тачки. Овај фазни помак се назива Сагнац ефекат и ова разлика у синхронизацији се мери жироскопом и користи се за израчунавање оријентације.
Сањаков ефекат је веома осетљив на шум у сигналу и сваки околни шум, попут малих топлотних флуктуација или вибрација, може пореметити зраке док путују. А ако је жироскоп знатно мање величине онда је склонији поремећајима. Оптички жироскопи су очигледно много ефикаснији, али је и даље изазов смањити оптичке жироскопе, односно смањити њихову величину, јер како постају мањи, сигнал који се преноси од њихових сензора такође слаби и онда се губи у шуму који стварају сви расути светлости. Ово узрокује жироскопу више потешкоћа у откривању кретања. Овај сценарио је ограничио дизајн мањих оптичких жироскопа. Најмањи жироскоп који има добре перформансе је најмање величине лоптице за голф и стога није погодан за мале преносиве уређаје.
Нови дизајн за мали жироскоп
Истраживачи са Калифорнијског института за технологију САД дизајнирали су оптички жироскоп са веома ниским шумом који користи ласер уместо МЕМС сензора и добија еквивалентне резултате. Њихова студија је објављена у Природа фотоника. Узели су сићушни силиконски чип од 2 квадратна мм и на њега поставили канал за вођење светлости. Овај канал помаже у вођењу светлости да путује у сваком правцу око круга. Инжењери су уклонили реципрочну буку продужавањем путање ласерских зрака помоћу два диска. Како путања зрака постаје дужа, количина буке се уједначава, што резултира прецизним мерењем када се два зрака сретну. Ово омогућава коришћење мањег уређаја, али и даље задржава тачне резултате. Уређај такође мења смер светлости како би помогао у уклањању буке. Овај иновативни жиро сензор носи назив КСВ-35000ЦБ. Побољшане перформансе су постигнуте методом 'реципрочног побољшања осетљивости'. Реципрочно значи да утиче на два независна снопа светлости на исти начин. Сањаков ефекат се заснива на детекцији промене између ова два снопа док путују у супротним смеровима и то је нереципрочно. Светлост путује кроз мини оптичке таласоводе који су мали водови који преносе светлост, слично жицама у електричном колу. Било какве несавршености на оптичкој путањи или спољашње сметње ће утицати на оба зрака.
Побољшање реципрочне осетљивости побољшава однос сигнал-шум омогућавајући да се овај оптички жироскоп интегрише на сићушни чип можда величине врха нокта. Овај мали жироскоп је најмање 500 пута мањи од постојећих уређаја, али може успешно детектовати фазне помаке 30 пута мање од тренутних система. Овај сензор се првенствено може користити у системима за исправљање вибрација камере. Жироскопи су сада незаменљиви у различитим областима и тренутна истраживања показују да је могуће дизајнирати мање оптичке жироскопе, иако ће можда требати неко време да овај лабораторијски дизајн буде комерцијално доступан.
***
{Можете да прочитате оригинални истраживачки рад тако што ћете кликнути на линк ДОИ дат у наставку на листи цитираних извора}
Извор (и)
Кхиал ПП ет ал 2018. Нанофотонски оптички жироскоп са реципрочним побољшањем осетљивости. Природа фотоника. 12(11). https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5
***
