مهندسان کوچکترین ژیروسکوپ حسگر نور جهان را ساخته اند که می تواند به راحتی در کوچکترین فناوری مدرن قابل حمل ادغام شود.
ژیروسکوپ در هر فناوری که ما در زمان امروز از آن استفاده می کنیم رایج هستند. ژیروسکوپ ها در وسایل نقلیه، هواپیماهای بدون سرنشین و دستگاه های الکترونیکی مانند موبایل و پوشیدنی ها استفاده می شوند زیرا به شناخت جهت گیری صحیح یک دستگاه در فضای سه بعدی (3 بعدی) کمک می کنند. در اصل، ژیروسکوپ وسیله‌ای از چرخ است که به چرخ کمک می‌کند تا به سرعت بر روی یک محور در جهات مختلف بچرخد. یک استاندارد چشمی ژیروسکوپ حاوی فیبر نوری قرقره‌ای است که نور لیزر پالسی را حمل می‌کند. این در جهت عقربه های ساعت یا خلاف جهت عقربه های ساعت اجرا می شود. در مقابل، ژیروسکوپ های امروزی حسگر هستند، به عنوان مثال در تلفن های همراه حسگر میکروالکترومکانیکی (MEMS) وجود دارد. این حسگرها نیروهایی را اندازه گیری می کنند که روی دو نهاد با جرم یکسان عمل می کنند اما در دو جهت متفاوت در حال نوسان هستند.
اثر ساگناک
حسگرها اگرچه امروزه به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند حساسیت محدودی دارند و بنابراین ژیروسکوپ های نوری مورد نیاز است. یک تفاوت مهم این است که ژیروسکوپ های نوری قادر به انجام یک کار مشابه اما بدون هیچ گونه قطعات متحرک و با دقت بیشتر هستند. این امر با اثر ساگناک، یک پدیده نوری که از نظریه نسبیت عام اینشتین برای تشخیص تغییرات سرعت زاویه ای استفاده می کند، قابل دستیابی است. در طول اثر Sagnac، یک پرتو از نور لیزر به دو پرتو مستقل شکسته می‌شود که اکنون در جهات مخالف در امتداد یک مسیر گرد حرکت می‌کنند و در نهایت در یک آشکارساز نور به هم می‌رسند. این فقط در صورتی اتفاق می‌افتد که دستگاه ثابت باشد و عمدتاً به این دلیل است که نور با سرعت ثابت حرکت می‌کند. با این حال، اگر دستگاه در حال چرخش باشد، مسیر نور نیز می‌چرخد و باعث می‌شود که دو پرتو جداگانه در یک نقطه زمانی متفاوت به آشکارساز نور برسند. این تغییر فاز را اثر ساگناک می نامند و این تفاوت در همگام سازی توسط ژیروسکوپ اندازه گیری می شود و برای محاسبه جهت گیری استفاده می شود.
اثر Sagnac به نویز در سیگنال بسیار حساس است و هرگونه نویز اطراف مانند نوسانات حرارتی کوچک یا ارتعاشات می تواند پرتوها را در حین حرکت مختل کند. و اگر ژیروسکوپ از اندازه قابل توجهی کوچکتر باشد، بیشتر مستعد اختلال است. بدیهی است که ژیروسکوپ‌های نوری بسیار مؤثرتر هستند، اما کم کردن ژیروسکوپ‌های نوری، یعنی کاهش اندازه آنها، همچنان چالش برانگیز است، زیرا با کوچکتر شدن آنها، سیگنال ارسالی از سنسورهای آنها نیز ضعیف می‌شود و سپس در نویز تولید شده توسط همه پراکنده‌ها گم می‌شود. سبک. این باعث می شود ژیروسکوپ در تشخیص حرکت با مشکل بیشتری مواجه شود. این سناریو طراحی ژیروسکوپ های نوری کوچکتر را محدود کرده است. کوچکترین ژیروسکوپ با عملکرد خوب حداقل به اندازه یک توپ گلف است و بنابراین برای دستگاه های کوچک قابل حمل مناسب نیست.
طراحی جدید برای ژیروسکوپ کوچک
محققان موسسه فناوری کالیفرنیا آمریکا یک ژیروسکوپ نوری با نویز بسیار کم طراحی کرده اند که به جای حسگرهای MEMS از لیزر استفاده می کند و نتایج مشابهی را دریافت می کند. مطالعه آنها در منتشر شده است طبیعت فوتونیک. آنها یک تراشه سیلیکونی کوچک 2 میلی متر مربعی برداشتند و کانالی برای هدایت نور روی آن نصب کردند. این کانال به هدایت نور برای حرکت در هر جهت در اطراف یک دایره کمک می کند. مهندسان با طولانی کردن مسیر پرتوهای لیزر با استفاده از دو دیسک، نویز متقابل را از بین بردند. با طولانی تر شدن مسیر پرتو، میزان نویز یکنواخت می شود و در نتیجه اندازه گیری دقیق هنگام برخورد دو پرتو انجام می شود. این امکان استفاده از دستگاه های کوچکتر را فراهم می کند اما همچنان نتایج دقیق را حفظ می کند. این دستگاه همچنین جهت نور را معکوس می کند تا به حذف نویز کمک کند. این سنسور ژیروسکوپ نوآورانه XV-35000CB نام دارد. عملکرد بهبود یافته با روش "افزایش حساسیت متقابل" به دست آمد. متقابل به این معنی است که دو پرتو نور مستقل را به یک شکل تحت تأثیر قرار می دهد. اثر Sagnac بر اساس تشخیص تغییر بین این دو پرتو است زیرا آنها در جهت مخالف حرکت می کنند و این برابر با غیر متقابل بودن است. نور از طریق موجبرهای نوری مینی عبور می کند که مجراهای کوچکی هستند که نور را مانند سیم در یک مدار الکتریکی حمل می کنند. هر گونه نقص در مسیر نوری یا تداخل خارجی بر هر دو پرتو تأثیر می گذارد.
افزایش حساسیت متقابل، نسبت سیگنال به نویز را بهبود می‌بخشد و این ژیروسکوپ نوری را قادر می‌سازد تا روی یک تراشه کوچک به اندازه نوک ناخن یکپارچه شود. اندازه این ژیروسکوپ کوچک حداقل 500 برابر کوچکتر از دستگاه های موجود است اما می تواند با موفقیت تغییر فاز را 30 برابر کوچکتر از سیستم های فعلی تشخیص دهد. این سنسور می تواند در درجه اول در سیستم هایی برای تصحیح ارتعاشات دوربین استفاده شود. ژیروسکوپ‌ها در حال حاضر در زمینه‌های مختلف ضروری هستند و تحقیقات فعلی نشان می‌دهد که طراحی ژیروسکوپ‌های نوری کوچکتر امکان‌پذیر است، اگرچه ممکن است مدتی طول بکشد تا این طرح آزمایشگاهی به صورت تجاری در دسترس باشد.
***
{شما می‌توانید مقاله پژوهشی اصلی را با کلیک بر روی پیوند DOI که در فهرست منابع ذکر شده در زیر آمده است بخوانید}
منبع (ها)
Khial PP et al 2018. ژیروسکوپ نوری نانو فوتونیک با افزایش حساسیت متقابل. طبیعت فوتونیک. 12 (11). https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5
***
