Інженери створили найменший у світі світлочутливий гіроскоп, який можна було б легко інтегрувати в найменші портативні сучасні технології.
Гіроскопи поширені в кожній технології, яку ми використовуємо в наш час. Гіроскопи використовуються в транспортних засобах, дронах та електронних пристроях, таких як мобільні та носимі, оскільки вони допомагають дізнатися правильну орієнтацію пристрою в тривимірному (3D) просторі. Спочатку гіроскоп – це пристрій колеса, яке допомагає колесу швидко обертатися на осі в різних напрямках. Стандартний оптичний гіроскоп містить намотане оптичне волокно, що несуть імпульсне лазерне світло. Це працює за годинниковою стрілкою або проти годинникової стрілки. На відміну від цього, сучасні гіроскопи є датчиками, наприклад, у мобільних телефонах присутній мікроелектромеханічний датчик (MEMS). Ці датчики вимірюють сили, які діють на два об’єкти однакової маси, але коливаються в двох різних напрямках.
Ефект Саньяка
Датчики, хоча зараз широко використовуються, мають обмежену чутливість, отже оптичні гіроскопи потрібні. Суттєва відмінність полягає в тому, що оптичні гіроскопи можуть виконувати подібне завдання, але без будь-яких рухомих частин і з більшою точністю. Це досягається за допомогою ефекту Саньяка, оптичного явища, яке використовує загальну теорію відносності Ейнштейна для виявлення змін кутової швидкості. Під час ефекту Саньяка промінь лазерного світла розбивається на два незалежні промені, які тепер рухаються в протилежних напрямках по заокругленому шляху, врешті-решт зустрічаючись на одному детекторі світла. Це відбувається лише в тому випадку, якщо пристрій є статичним і головним чином тому, що світло рухається з постійною швидкістю. Однак, якщо пристрій обертається, шлях світла також обертається, внаслідок чого два окремі промені досягають детектора світла в інший момент часу. Цей фазовий зсув називається ефектом Саньяка, і ця різниця в синхронізації вимірюється гіроскопом і використовується для обчислення орієнтації.
Ефект Саньяка дуже чутливий до шуму в сигналі, і будь-який навколишній шум, наприклад невеликі теплові коливання або вібрації, може порушити промені під час їх руху. А якщо гіроскоп значно меншого розміру, то він більш схильний до збоїв. Очевидно, що оптичні гіроскопи набагато ефективніші, але все ще залишається проблемою зменшити оптичні гіроскопи, тобто зменшити їх розмір, тому що, коли вони стають меншими, сигнал, що передається від їхніх датчиків, також слабшає, а потім втрачається в шумі, який створюється всіма розсіяними світло. Через це гіроскопу складніше виявляти рух. Цей сценарій обмежив конструкцію менших оптичних гіроскопів. Найменший гіроскоп, який має хороші характеристики, має розмір принаймні з м’яч для гольфу, тому він непридатний для невеликих портативних пристроїв.
Новий дизайн для маленького гіроскопа
Дослідники Каліфорнійського технологічного інституту США розробили оптичний гіроскоп з дуже низьким рівнем шуму, який використовує лазер замість датчиків MEMS і отримує еквівалентні результати. Їхнє дослідження опубліковано в Природа Фотоніка. Вони взяли крихітний кремнієвий чіп розміром 2 квадратних мм і встановили на нього канал для наведення світла. Цей канал допомагає направляти світло в будь-якому напрямку по колу. Інженери ліквідували взаємний шум, подовжуючи шлях лазерних променів за допомогою двох дисків. Оскільки шлях променя стає довшим, кількість шуму вирівнюється, що призводить до точного вимірювання, коли два промені зустрічаються. Це дозволяє використовувати менший пристрій, але зберігати точні результати. Пристрій також змінює напрямок світла, щоб допомогти приглушити шум. Цей інноваційний гіроскопічний датчик називається XV-35000CB. Покращена продуктивність була досягнута методом «взаємного підвищення чутливості». Взаємне означає, що він впливає на два незалежні промені світла однаково. Ефект Саньяка заснований на виявленні зміни між цими двома променями, коли вони рухаються в протилежних напрямках, і це дорівнює невзаємності. Світло проходить через міні-оптичні хвилеводи, які є невеликими каналами, які переносять світло, подібно до проводів в електричному ланцюзі. Будь-які недоліки в оптичному шляху або зовнішні перешкоди вплинуть на обидва промені.
Підвищення взаємної чутливості покращує відношення сигнал/шум, завдяки чому цей оптичний гіроскоп можна інтегрувати в крихітну мікросхему розміром, можливо, з кінчик нігтя. Цей крихітний гіроскоп щонайменше в 500 разів менший за розміри, ніж існуючі пристрої, але може успішно виявляти фазові зсуви в 30 разів менші, ніж існуючі системи. Цей датчик в основному можна використовувати в системах для корекції вібрацій камери. Зараз гіроскопи є незамінними в різних галузях, і поточні дослідження показують, що можна спроектувати оптичні гіроскопи меншого розміру, хоча може знадобитися деякий час, перш ніж ця лабораторна конструкція стане комерційно доступною.
***
{Ви можете прочитати оригінальну дослідницьку роботу, натиснувши посилання DOI, наведене нижче в списку цитованих джерел(ів)}
Джерела
Khial PP et al 2018. Нанофотонний оптичний гіроскоп із взаємним підвищенням чутливості. Природа Фотоніка. 12 (11). https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5
***
