Ինժեներները կառուցել են աշխարհի ամենափոքր լուսային գիրոսկոպը, որը կարող է հեշտությամբ ինտեգրվել ամենափոքր շարժական ժամանակակից տեխնոլոգիայի մեջ:
Գիրոսկոպներ տարածված են բոլոր տեխնոլոգիաներում, որոնք մենք օգտագործում ենք այսօրվա ժամանակներում: Գիրոսկոպներն օգտագործվում են տրանսպորտային միջոցներում, անօդաչու սարքերում և էլեկտրոնային սարքերում, ինչպիսիք են բջջայինները և կրելի սարքերը, քանի որ դրանք օգնում են իմանալ սարքի ճիշտ կողմնորոշումը եռաչափ (3D) տարածության մեջ: Ի սկզբանե գիրոսկոպը անիվի սարք է, որն օգնում է անիվին արագ պտտվել առանցքի վրա տարբեր ուղղություններով: Ստանդարտ տեսողական Գիրոսկոպը պարունակում է փաթաթված օպտիկական մանրաթել, որը կրում է իմպուլսային լազերային լույս: Սա աշխատում է ժամացույցի սլաքի ուղղությամբ կամ հակառակ ուղղությամբ: Ի հակադրություն, ժամանակակից գիրոսկոպները սենսորներ են, օրինակ բջջային հեռախոսներում առկա են միկրոէլեկտրամեխանիկական սենսորներ (MEMS): Այս սենսորները չափում են ուժերը, որոնք գործում են նույն զանգվածի երկու միավորների վրա, բայց որոնք տատանվում են երկու տարբեր ուղղություններով:
Սանյակի էֆեկտը
Սենսորները, թեև այժմ լայնորեն օգտագործվում են, ունեն սահմանափակ զգայունություն և հետևաբար օպտիկական գիրոսկոպներ անհրաժեշտ են. Կարևոր տարբերությունն այն է, որ օպտիկական գիրոսկոպները կարող են կատարել նմանատիպ առաջադրանք, բայց առանց շարժական մասերի և ավելի ճշգրիտ: Սա կարելի է ձեռք բերել Sagnac էֆեկտով, օպտիկական երևույթ, որն օգտագործում է Էյնշտեյնի հարաբերականության ընդհանուր տեսությունը անկյունային արագության փոփոխությունները հայտնաբերելու համար: Sagnac էֆեկտի ժամանակ լազերային լույսի ճառագայթը բաժանվում է երկու անկախ ճառագայթների, որոնք այժմ շարժվում են հակառակ ուղղություններով կլորացված ճանապարհով և ի վերջո հանդիպում են մեկ լուսային դետեկտորի մոտ: Դա տեղի է ունենում միայն այն դեպքում, եթե սարքը ստատիկ է և հիմնականում այն պատճառով, որ լույսը շարժվում է հաստատուն արագությամբ: Այնուամենայնիվ, եթե սարքը պտտվում է, լույսի ուղին նույնպես պտտվում է, ինչի հետևանքով երկու առանձին ճառագայթները հասնում են լույսի դետեկտորին տարբեր ժամանակային կետում: Այս փուլային տեղաշարժը կոչվում է Sagnac ազդեցություն և համաժամացման այս տարբերությունը չափվում է գիրոսկոպով և օգտագործվում է կողմնորոշումը հաշվարկելու համար:
Sagnac-ի էֆեկտը շատ զգայուն է ազդանշանի աղմուկի նկատմամբ, և շրջակա ցանկացած աղմուկ, ինչպիսիք են փոքր ջերմային տատանումները կամ թրթռումները, կարող են խաթարել ճառագայթները, երբ նրանք շարժվում են: Եվ եթե գիրոսկոպը զգալիորեն ավելի փոքր է, ապա այն ավելի հակված է խափանումների: Օպտիկական գիրոսկոպներն ակնհայտորեն շատ ավելի արդյունավետ են, բայց դեռևս խնդիր է օպտիկական գիրոսկոպները նվազեցնելը, այսինքն՝ փոքրացնել դրանց չափը, քանի որ փոքրանալով նրանց սենսորներից փոխանցվող ազդանշանը նույնպես թուլանում է և կորչում աղմուկի մեջ, որն առաջանում է բոլոր ցրվածներից: լույս. Սա գիրոսկոպին ավելի դժվար է դարձնում շարժումները հայտնաբերելու հարցում: Այս սցենարը սահմանափակել է ավելի փոքր օպտիկական գիրոսկոպների նախագծումը: Լավ կատարողականությամբ ամենափոքր գիրոսկոպը առնվազն գոլֆի գնդակի չափ է և, հետևաբար, հարմար չէ փոքր շարժական սարքերի համար:
Նոր դիզայն փոքր գիրոսկոպի համար
ԱՄՆ Կալիֆորնիայի տեխնոլոգիական ինստիտուտի հետազոտողները նախագծել են շատ ցածր աղմուկով օպտիկական գիրոսկոպ, որն օգտագործում է լազերային MEMS սենսորների փոխարեն և ստանում է համարժեք արդյունքներ: Նրանց ուսումնասիրությունը հրապարակված է Բնության ֆոտոնիկա. Նրանք վերցրեցին մի փոքրիկ 2 քառակուսի մմ սիլիցիումի չիպ և դրա վրա տեղադրեցին ալիք՝ լույսը ուղղորդելու համար: Այս ալիքն օգնում է լույսը ուղղորդել շրջանագծի շուրջ բոլոր ուղղություններով: Ինժեներները վերացնում էին փոխադարձ աղմուկը՝ երկարացնելով լազերային ճառագայթների ուղին՝ օգտագործելով երկու սկավառակ: Քանի որ ճառագայթի ուղին ավելի երկար է դառնում, աղմուկի քանակը հավասարվում է, ինչը հանգեցնում է ճշգրիտ չափումների, երբ երկու ճառագայթները հանդիպում են: Սա հնարավորություն է տալիս օգտագործել ավելի փոքր սարքը, բայց դեռ պահպանելով ճշգրիտ արդյունքները: Սարքը նաև փոխում է լույսի ուղղությունը՝ աղմուկը չեղարկելու համար: Այս նորարարական գիրո սենսորը ստացել է XV-35000CB անունը: Բարելավված արդյունավետությունը ձեռք է բերվել «փոխադարձ զգայունության բարձրացման» մեթոդով: Փոխադարձ նշանակում է, որ այն նույն կերպ է ազդում երկու անկախ լույսի ճառագայթների վրա: Սանյակի էֆեկտը հիմնված է այս երկու ճառագայթների միջև փոփոխության հայտնաբերման վրա, քանի որ դրանք շարժվում են հակառակ ուղղություններով, և դա հավասար է ոչ փոխադարձ լինելուն: Լույսը շարժվում է մինի օպտիկական ալիքատարների միջով, որոնք փոքր խողովակներ են, որոնք լույս են կրում, ինչը նման է էլեկտրական շղթայի լարերին: Օպտիկական ուղու կամ արտաքին միջամտության ցանկացած անկատարություն կազդի երկու ճառագայթների վրա:
Փոխադարձ զգայունության բարձրացումը բարելավում է ազդանշան-աղմուկ հարաբերակցությունը, ինչը հնարավորություն է տալիս այս օպտիկական գիրոսկոպին ինտեգրվել եղունգի ծայրի փոքր չիպի վրա: Այս փոքրիկ գիրոսկոպը չափսերով առնվազն 500 անգամ փոքր է, քան գոյություն ունեցող սարքերը, բայց կարող է հաջողությամբ հայտնաբերել փուլային տեղաշարժերը 30 անգամ ավելի փոքր, քան ներկայիս համակարգերը: Այս սենսորը կարող է հիմնականում օգտագործվել տեսախցիկի թրթռումները շտկելու համակարգերում: Գիրոսկոպներն այժմ անփոխարինելի են տարբեր ոլորտներում, և ընթացիկ հետազոտությունները ցույց են տալիս, որ հնարավոր է նախագծել ավելի փոքր օպտիկական գիրոսկոպներ, թեև այս լաբորատոր դիզայնի կոմերցիոն հասանելիությունը կարող է որոշ ժամանակ պահանջել:
***
{Դուք կարող եք կարդալ հետազոտական հոդվածի բնօրինակը` սեղմելով ներքևում նշված DOI հղումը` մեջբերված աղբյուրների ցանկում:}
Աղբյուրը (ներ)
Khial PP et al 2018. Նանոֆոտոնիկ օպտիկական գիրոսկոպ՝ փոխադարձ զգայունության բարձրացմամբ։ Բնության ֆոտոնիկա. 12 (11). https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5
***
