Inženjeri su izgradili najmanji žiroskop na svijetu koji osjeti svjetlo i koji se lako može integrirati u najmanju prijenosnu modernu tehnologiju.
Žiroskopi su uobičajene u svakoj tehnologiji koju koristimo u današnje vrijeme. Žiroskopi se koriste u vozilima, bespilotnim letjelicama i elektroničkim uređajima poput mobitela i nosivih uređaja jer pomažu u poznavanju točne orijentacije uređaja u trodimenzionalnom (3D) prostoru. Izvorno, žiroskop je uređaj kotača koji pomaže kotaču da se brzo okreće oko osi u različitim smjerovima. Standard optički žiroskop sadrži namotano optičko vlakno koje nosi pulsno lasersko svjetlo. Ovo radi u smjeru kazaljke na satu ili suprotnom smjeru kazaljke na satu. Nasuprot tome, moderni žiroskopi su senzori, na primjer u mobilnim telefonima prisutni su mikroelektromehanički senzori (MEMS). Ovi senzori mjere sile koje djeluju na dva entiteta identične mase, ali se kolebaju u dva različita smjera.
Sagnac efekt
Senzori, iako se danas široko koriste, imaju ograničenu osjetljivost i stoga optički žiroskopi su potrebni. Ključna razlika je u tome što optički žiroskopi mogu obavljati sličan zadatak, ali bez ikakvih pomičnih dijelova i s većom preciznošću. To je moguće postići Sagnacovim učinkom, optičkim fenomenom koji koristi Einsteinovu teoriju opće relativnosti za otkrivanje promjena u kutnoj brzini. Tijekom Sagnac efekta, snop laserske svjetlosti razbijen je na dvije neovisne zrake koje sada putuju u suprotnim smjerovima duž zaobljenog puta koji se na kraju susreću na jednom detektoru svjetlosti. To se događa samo ako je uređaj statičan i uglavnom zato što svjetlost putuje konstantnom brzinom. Međutim, ako se uređaj rotira, put svjetlosti se također rotira, što uzrokuje da dvije odvojene zrake stignu do detektora svjetlosti u različitoj vremenskoj točki. Ovaj fazni pomak naziva se Sagnacov efekt i ta razlika u sinkronizaciji mjeri se žiroskopom i koristi se za izračunavanje orijentacije.
Sagnacov efekt vrlo je osjetljiv na šum u signalu i svaki okolni šum, poput malih toplinskih fluktuacija ili vibracija, može poremetiti zrake dok putuju. A ako je žiroskop znatno manje veličine onda je skloniji poremećajima. Optički žiroskopi su očito puno učinkovitiji, ali još uvijek je izazov smanjiti optičke žiroskope, odnosno smanjiti njihovu veličinu, jer kako postaju manji, signal koji se prenosi s njihovih senzora također slabi i onda se gubi u šumu koji stvaraju svi raspršeni svjetlo. To uzrokuje žiroskopu više poteškoća u otkrivanju kretanja. Ovaj scenarij je ograničio dizajn manjih optičkih žiroskopa. Najmanji žiroskop koji ima dobre performanse je barem veličine loptice za golf i stoga neprikladan za male prijenosne uređaje.
Novi dizajn za mali žiroskop
Istraživači s Kalifornijskog instituta za tehnologiju SAD dizajnirali su optički žiroskop s vrlo niskim šumom koji koristi laser umjesto MEMS senzora i daje ekvivalentne rezultate. Njihova studija objavljena je u Priroda fotonika. Uzeli su sićušni silikonski čip od 2 kvadratna mm i na njega ugradili kanal za usmjeravanje svjetlosti. Ovaj kanal pomaže u usmjeravanju svjetlosti da putuje u svakom smjeru oko kruga. Inženjeri su eliminirali recipročnu buku produljivši putanju laserskih zraka pomoću dva diska. Kako put snopa postaje duži, količina buke se ujednačava što rezultira točnim mjerenjem kada se dvije zrake sretnu. To omogućuje korištenje manjeg uređaja, ali i dalje zadržava točne rezultate. Uređaj također mijenja smjer svjetla kako bi pomogao u uklanjanju buke. Ovaj inovativni žiro senzor nosi naziv XV-35000CB. Poboljšana izvedba postignuta je metodom 'recipročnog poboljšanja osjetljivosti'. Recipročno znači da utječe na dva neovisna snopa svjetlosti na isti način. Sagnacov učinak temelji se na detekciji promjene između ova dva snopa dok putuju u suprotnim smjerovima i to je nerecipročno. Svjetlost putuje kroz mini optičke valovode koji su mali vodovi koji prenose svjetlost, slično žicama u električnom krugu. Bilo kakve nesavršenosti na optičkoj stazi ili vanjske smetnje utjecat će na oba snopa.
Poboljšanje recipročne osjetljivosti poboljšava omjer signala i šuma, omogućujući integraciju ovog optičkog žiroskopa na maleni čip veličine vrha nokta. Ovaj sićušni žiroskop je najmanje 500 puta manji od postojećih uređaja, ali može uspješno detektirati fazne pomake 30 puta manje od trenutnih sustava. Ovaj senzor se prvenstveno može koristiti u sustavima za ispravljanje vibracija kamere. Žiroskopi su sada nezamjenjivi u različitim područjima i trenutna istraživanja pokazuju da je moguće dizajnirati manje optičke žiroskope, iako će možda trebati neko vrijeme da ovaj laboratorijski dizajn bude komercijalno dostupan.
***
{Izvorni istraživački rad možete pročitati klikom na vezu DOI koja se nalazi u nastavku na popisu citiranih izvora}
Izvor (i)
Khial PP et al 2018. Nanofotonski optički žiroskop s recipročnim poboljšanjem osjetljivosti. Priroda fotonika. 12 (11). https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5
***
