ინჟინრებმა შექმნეს მსოფლიოში ყველაზე პატარა სინათლის სენსორული გიროსკოპი, რომელიც ადვილად შეიძლება ინტეგრირებული იყოს უმცირეს პორტატულ თანამედროვე ტექნოლოგიაში.
ჯაჭკოპები გავრცელებულია ყველა ტექნოლოგიაში, რომელსაც ჩვენ ვიყენებთ დღევანდელ დროში. გიროსკოპები გამოიყენება მანქანებში, თვითმფრინავებში და ელექტრონულ მოწყობილობებში, როგორიცაა მობილურები და ტარები, რადგან ისინი გვეხმარებიან მოწყობილობის სწორი ორიენტაციის ცოდნაში სამგანზომილებიან (3D) სივრცეში. თავდაპირველად, გიროსკოპი არის ბორბლის მოწყობილობა, რომელიც ეხმარება ბორბალს სწრაფად ბრუნავდეს ღერძზე სხვადასხვა მიმართულებით. სტანდარტი ოპტიკური გიროსკოპი შეიცავს ოპტიკურ ბოჭკოს, რომელიც ატარებს პულსური ლაზერის შუქს. ის მუშაობს საათის ისრის ან საათის ისრის საწინააღმდეგო მიმართულებით. ამის საპირისპიროდ, თანამედროვე გიროსკოპები არის სენსორები, მაგალითად, მობილურ ტელეფონებში არის მიკროელექტრომექანიკური სენსორი (MEMS). ეს სენსორები ზომავენ ძალებს, რომლებიც მოქმედებენ იდენტური მასის ორ ერთეულზე, მაგრამ რომლებიც მერყეობენ ორი სხვადასხვა მიმართულებით.
Sagnac ეფექტი
სენსორებს, თუმცა ახლა ფართოდ გამოიყენება, აქვთ შეზღუდული მგრძნობელობა და შესაბამისად ოპტიკური გიროსკოპები საჭიროა. გადამწყვეტი განსხვავებაა ის, რომ ოპტიკურ გიროსკოპებს შეუძლიათ მსგავსი დავალების შესრულება, მაგრამ მოძრავი ნაწილების გარეშე და მეტი სიზუსტით. ამის მიღწევა შესაძლებელია Sagnac-ის ეფექტით, ოპტიკური ფენომენით, რომელიც იყენებს აინშტაინის ფარდობითობის ზოგად თეორიას კუთხური სიჩქარის ცვლილებების დასადგენად. Sagnac ეფექტის დროს, ლაზერული სინათლის სხივი იყოფა ორ დამოუკიდებელ სხივად, რომლებიც ახლა მოძრაობენ საპირისპირო მიმართულებით მომრგვალებული ბილიკის გასწვრივ და საბოლოოდ ხვდებიან ერთ სინათლის დეტექტორთან. ეს ხდება მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ მოწყობილობა სტატიკურია და ძირითადად იმიტომ, რომ სინათლე მოძრაობს მუდმივი სიჩქარით. თუმცა, თუ მოწყობილობა ბრუნავს, სინათლის ბილიკი ასევე ბრუნავს, რის გამოც ორი ცალკეული სხივი აღწევს სინათლის დეტექტორს სხვადასხვა დროის მომენტში. ამ ფაზის ცვლას ეწოდება Sagnac ეფექტი და სინქრონიზაციის ეს განსხვავება იზომება გიროსკოპით და გამოიყენება ორიენტაციის გამოსათვლელად.
Sagnac-ის ეფექტი ძალიან მგრძნობიარეა სიგნალის ხმაურის მიმართ და ნებისმიერ გარემომცველ ხმაურს, როგორიცაა მცირე თერმული რყევები ან ვიბრაციები, შეიძლება დაარღვიოს სხივები მოგზაურობისას. და თუ გიროსკოპი გაცილებით მცირე ზომისაა, მაშინ ის უფრო მიდრეკილია შეფერხებისკენ. ოპტიკური გიროსკოპები აშკარად ბევრად ეფექტურია, მაგრამ მაინც გამოწვევაა ოპტიკური გიროსკოპების შემცირება, ანუ მათი ზომის შემცირება, რადგან რაც უფრო პატარა ხდება, მათი სენსორებიდან გადაცემული სიგნალიც სუსტდება და შემდეგ იკარგება ხმაურში, რომელიც წარმოიქმნება ყველა გაფანტულისგან. მსუბუქი. ეს ართულებს გიროსკოპს მოძრაობის ამოცნობაში. ამ სცენარმა შეზღუდა პატარა ოპტიკური გიროსკოპების დიზაინი. ყველაზე პატარა გიროსკოპი, რომელსაც აქვს კარგი შესრულება, გოლფის ბურთის ზომით მაინც არის და, შესაბამისად, უვარგისია პატარა პორტატული მოწყობილობებისთვის.
ახალი დიზაინი პატარა გიროსკოპისთვის
აშშ-ს კალიფორნიის ტექნოლოგიური ინსტიტუტის მკვლევარებმა შეიმუშავეს ოპტიკური გიროსკოპი ძალიან დაბალი ხმაურით, რომელიც იყენებს ლაზერს MEMS სენსორების ნაცვლად და იღებს ექვივალენტურ შედეგებს. მათი კვლევა გამოქვეყნებულია ქ ბუნების ფოტონიკა. მათ აიღეს პაწაწინა 2 კვადრატული მმ სილიკონის ჩიპი და დაამონტაჟეს მასზე არხი სინათლის გასატარებლად. ეს არხი ეხმარება შუქს წრის გარშემო ყველა მიმართულებით გადაადგილებაში. ინჟინრებმა გაანადგურეს საპასუხო ხმაური ლაზერის სხივების გზის გახანგრძლივების გზით ორი დისკის გამოყენებით. სხივის ბილიკის გახანგრძლივებასთან ერთად, ხმაურის რაოდენობა თანაბრდება, რის შედეგადაც ხდება ზუსტი გაზომვა, როდესაც ორი სხივი ხვდება. ეს საშუალებას იძლევა გამოიყენოს პატარა მოწყობილობა, მაგრამ მაინც შეინარჩუნოს ზუსტი შედეგები. მოწყობილობა ასევე ცვლის შუქის მიმართულებას, რათა ხელი შეუწყოს ხმაურის გაუქმებას. ამ ინოვაციურ გიროს სენსორს ჰქვია XV-35000CB. გაუმჯობესებული შესრულება მიღწეული იქნა "რეციპროკული მგრძნობელობის გაზრდის" მეთოდით. ორმხრივი ნიშნავს, რომ ის ერთნაირად მოქმედებს სინათლის ორ დამოუკიდებელ სხივზე. Sagnac ეფექტი დაფუძნებულია ამ ორ სხივს შორის ცვლილების გამოვლენაზე, რადგან ისინი მოძრაობენ საპირისპირო მიმართულებით და ეს უდრის არარეციპროკულობას. სინათლე მოძრაობს მინი ოპტიკური ტალღების გამტარების მეშვეობით, რომლებიც წარმოადგენს მცირე მილსადენებს, რომლებიც ატარებენ შუქს, როგორც ელექტრო წრეში მავთულის მსგავსი. ნებისმიერი დეფექტი ოპტიკურ გზაზე ან გარე ჩარევაზე გავლენას მოახდენს ორივე სხივზე.
საპასუხო მგრძნობელობის გაძლიერება აუმჯობესებს სიგნალ-ხმაურის თანაფარდობას, რაც საშუალებას აძლევს ამ ოპტიკურ გიროსკოპს ინტეგრირდეს პატარა ჩიპზე, შესაძლოა, ფრჩხილის წვერი. ეს პატარა გიროსკოპი ზომით სულ მცირე 500-ჯერ უფრო მცირეა, ვიდრე არსებული მოწყობილობები, მაგრამ წარმატებით შეუძლია აღმოაჩინოს ფაზური ცვლა 30-ჯერ უფრო მცირე, ვიდრე მიმდინარე სისტემები. ეს სენსორი ძირითადად შეიძლება გამოყენებულ იქნას სისტემებში კამერის ვიბრაციის გამოსასწორებლად. გიროსკოპები ახლა შეუცვლელია სხვადასხვა სფეროში და ამჟამინდელი კვლევები აჩვენებს, რომ უფრო პატარა ოპტიკური გიროსკოპების დაპროექტება შესაძლებელია, თუმცა ამ ლაბორატორიული დიზაინის კომერციულად ხელმისაწვდომობას შეიძლება გარკვეული დრო დასჭირდეს.
***
{შეგიძლიათ წაიკითხოთ ორიგინალური კვლევითი ნაშრომი ციტირებულ წყარო(ებ)ის სიაში ქვემოთ მოცემულ DOI ბმულზე დაწკაპუნებით}
წყარო (ებ) ი
Khial PP et al 2018. ნანოფოტონური ოპტიკური გიროსკოპი საპასუხო მგრძნობელობის გაზრდით. ბუნების ფოტონიკა. 12 (11). https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5
***
