• Yulia Mi

Создан самый маленький в мире оптический гироскоп


Авторы фото: Ali Hajimiri/Caltech

Гироскопы используются в транспортных средствах, дронах, в портативных электронных устройствах с целью определения этими устройствами своей ориентации в пространстве. Гироскопы настолько прочно вошли в нашу жизнь, что используются практически повсеместно. Изначально они устанавливались внутри связанных колес, вращающиеся на разных осях. Сейчас в мобильных телефонах и других электронных устройствах используется микроэлектромеханический сенсор – модернизированный эквивалент, который измеряет изменение сил воздействия на два одинаковых по массе грузика, которые осциллируют и перемещаются на подвесах в противоположных направлениях. Такие МЭМС гироскопы имеют предел чувствительности, в связи с чем были разработаны оптические гироскопы без движущихся частей и обладающие большей точностью. Принцип работы оптических гироскопов основан на эффекте Саньяка.


Эффект Саньяка


Эффект Саньяка, названный так в честь французского физика Жоржа Саньяка, - это оптический феномен, заложенный в общей теории относительности Эйнштейна. Луч света разделяется на два, после чего эти два луча направляются в противоположные стороны вдоль круговой траектории, встречаясь в одном и том же фотоприемнике. Свет перемещается с постоянной скоростью, поэтому вращение устройства, внутри которого перемещаются лучи света, приводит к тому, что один из двух лучей достигает фотоприемника раньше. Зная этот фазовый сдвиг можно определить угловую скорость вращения.


Проблема


Мельчайший оптический гироскоп, доступный сейчас, больше, чем мячик для гольфа и не подходит для большинства портативных устройств. Уменьшение размеров оптического гироскопа приводит к тому, что фазовый сдвиг вследствие эффекта Саньяка становится меньше, что делает все более трудным детектирование гироскопом движения. До настоящего времени это ограничивало миниатюризацию оптических гироскопов.


Изобретение


Инженеры из Калифорнийского Института Технологий под руководством Али Хаджимири (Ali Hajimiri) разработали новый оптический гироскоп, который в 500 раз меньше, чем современные волоконно-оптические гироскопы, и может детектировать фазовый сдвиг, который в 30 раз меньше, чем тот, который могут детектировать современные приборы. Новое устройство описано в статье, опубликованной в журнале Nature Photonics.


Как это работает


Гироскоп, разработанных учеными, использует новую технику, названную «эквивалентное расширение чувствительности». Слово «эквивалентное» означает, что влияет на оба луча света внутри гироскопа одинаково. Внутри гироскопа свет перемещается по миниатюрным оптическим путям. Несовершенство оптического пути может оказывать влияние на лучи (например, температурные флуктуации или рассеяние света), и любое внешнее вмешательство будет влиять на лучи одинаково.


Команда Хаджимири нашла способ устранения этих эквивалентных шумов, не оказывая влияния на эффект Саньяка. Эквивалентное расширение чувствительности улучшает соотношение сигнал-шум в системе, что позволяет встроить оптический гироскоп в чип с размерами меньше зерна риса.


#оптическийгироскоп #гироскоп


Ссылка на статью в журнале Nature Photonics: https://www.nature.com/articles/s41566-01

Подписаться на новости SCDAILY