Jurutera telah membina giroskop penderia cahaya terkecil di dunia yang boleh disepadukan dengan mudah ke dalam teknologi moden mudah alih terkecil.
Giroskop adalah perkara biasa dalam setiap teknologi yang kita gunakan pada masa kini. Giroskop digunakan dalam kenderaan, dron dan peranti elektronik seperti telefon bimbit dan boleh pakai kerana ia membantu mengetahui orientasi peranti yang betul dalam ruang tiga dimensi (3D). Pada asalnya, giroskop ialah peranti roda yang membantu roda berputar pantas pada paksi dalam arah yang berbeza. Satu standard optik giroskop mengandungi gentian optik bertali yang membawa cahaya laser nadi. Ini berjalan sama ada mengikut arah jam atau lawan jam. Sebaliknya, giroskop moden ialah penderia, contohnya dalam telefon bimbit terdapat penderia mikroelektromekanikal (MEMS). Penderia ini mengukur daya yang bertindak ke atas dua entiti jisim yang sama tetapi bergoyang dalam dua arah berbeza.
Kesan Sagnac
Sensor walaupun kini digunakan secara meluas mempunyai kepekaan terhad dan oleh itu giroskop optik diperlukan. Perbezaan penting ialah giroskop optik mampu melaksanakan tugas yang serupa tetapi tanpa sebarang bahagian boleh alih dan dengan lebih ketepatan. Ini boleh dicapai dengan kesan Sagnac, fenomena optik yang menggunakan teori relativiti am Einstein untuk mengesan perubahan dalam halaju sudut. Semasa kesan Sagnac, pancaran cahaya laser dipecahkan kepada dua pancaran bebas yang kini bergerak dalam arah bertentangan di sepanjang laluan bulat akhirnya bertemu pada satu pengesan cahaya. Ini berlaku hanya jika peranti statik dan terutamanya kerana cahaya bergerak pada kelajuan malar. Walau bagaimanapun, jika peranti berputar, laluan cahaya juga akan diputar menyebabkan dua rasuk berasingan mencapai pengesan cahaya pada titik masa yang berbeza. Anjakan fasa ini dipanggil kesan Sagnac dan perbezaan penyegerakan ini diukur oleh giroskop dan digunakan untuk mengira orientasi.
Kesan Sagnac sangat sensitif kepada bunyi dalam isyarat dan sebarang bunyi di sekeliling seperti turun naik atau getaran haba kecil boleh mengganggu rasuk semasa ia bergerak. Dan jika giroskop adalah saiz yang jauh lebih kecil maka ia lebih terdedah kepada gangguan. Giroskop optik jelas lebih berkesan tetapi masih menjadi cabaran untuk mengecilkan giroskop optik iaitu mengurangkan saiznya, kerana apabila ia menjadi lebih kecil, isyarat yang dihantar dari sensornya juga menjadi lemah dan kemudian hilang dalam bunyi yang dihasilkan oleh semua yang bertaburan. ringan. Ini menyebabkan giroskop lebih sukar untuk mengesan pergerakan. Senario ini telah mengehadkan reka bentuk giroskop optik yang lebih kecil. Giroskop terkecil yang mempunyai prestasi yang baik adalah sekurang-kurangnya saiz bola golf dan oleh itu tidak sesuai untuk peranti mudah alih yang kecil.
Reka bentuk baru untuk giroskop kecil
Penyelidik di California Institute of Technology USA telah mereka bentuk giroskop optik dengan hingar yang sangat rendah yang menggunakan laser dan bukannya sensor MEMS dan mendapat hasil yang setara. Kajian mereka diterbitkan dalam Alam Photonics. Mereka mengambil cip silikon kecil bersaiz 2 mm persegi dan memasang saluran di atasnya untuk membimbing cahaya. Saluran ini membantu membimbing cahaya untuk bergerak ke setiap arah mengelilingi bulatan. Jurutera menghilangkan bunyi timbal balik dengan memanjangkan laluan pancaran laser dengan menggunakan dua cakera. Apabila laluan rasuk menjadi lebih panjang, jumlah hingar menjadi sekata menghasilkan ukuran yang tepat apabila kedua-dua rasuk bertemu. Ini membolehkan penggunaan peranti yang lebih kecil tetapi masih mengekalkan hasil yang tepat. Peranti juga membalikkan arah cahaya untuk membantu dalam pembatalan hingar. Penderia giro inovatif ini dinamakan XV-35000CB. Prestasi yang lebih baik dicapai dengan kaedah 'peningkatan kepekaan timbal balik'. Salingan bermakna ia mempengaruhi dua pancaran cahaya bebas dengan cara yang sama. Kesan Sagnac adalah berdasarkan pengesanan perubahan antara kedua-dua pancaran ini kerana ia bergerak dalam arah yang bertentangan dan ini sama dengan tidak bersaling. Cahaya bergerak melalui pandu gelombang optik mini yang merupakan saluran kecil yang membawa cahaya, serupa dengan wayar dalam litar elektrik. Sebarang ketidaksempurnaan dalam laluan optik atau gangguan luar akan menjejaskan kedua-dua rasuk.
Peningkatan kepekaan timbal balik meningkatkan nisbah isyarat kepada hingar yang membolehkan giroskop optik ini disepadukan pada cip kecil mungkin saiz hujung kuku. Giroskop kecil ini bersaiz sekurang-kurangnya 500 kali lebih kecil daripada peranti sedia ada tetapi boleh berjaya mengesan anjakan fasa 30 kali lebih kecil daripada sistem semasa. Penderia ini boleh digunakan terutamanya dalam sistem untuk membetulkan getaran kamera. Giroskop kini amat diperlukan dalam bidang yang berbeza dan penyelidikan semasa menunjukkan bahawa giroskop optik yang lebih kecil adalah mungkin untuk mereka bentuk walaupun mungkin mengambil sedikit masa untuk reka bentuk makmal ini tersedia secara komersil.
***
{Anda boleh membaca kertas penyelidikan asal dengan mengklik pautan DOI yang diberikan di bawah dalam senarai sumber yang dipetik}
Sumber (s)
Khial PP et al 2018. Giroskop optik nanofotonik dengan peningkatan sensitiviti timbal balik. Alam Photonics. 12(11). https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5
***
