قام المهندسون ببناء أصغر جيروسكوب في العالم لاستشعار الضوء والذي يمكن دمجه بسهولة في أصغر تقنية حديثة محمولة.
الجيروسكوبات شائعة في كل تقنية نستخدمها في أيامنا هذه. تُستخدم الجيروسكوبات في المركبات والطائرات بدون طيار والأجهزة الإلكترونية مثل الهواتف المحمولة والأجهزة القابلة للارتداء لأنها تساعد في معرفة الاتجاه الصحيح للجهاز في الفضاء ثلاثي الأبعاد. في الأصل ، الجيروسكوب هو جهاز من العجلة التي تساعد العجلة على الدوران بسرعة على محور في اتجاهات مختلفة. معيار بصري يحتوي الجيروسكوب على ألياف ضوئية ملفوفة تحمل ضوء الليزر النبضي. يعمل هذا إما في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة. في المقابل ، الجيروسكوبات الحديثة عبارة عن أجهزة استشعار ، على سبيل المثال في الهواتف المحمولة يوجد مستشعر كهروميكانيكي صغير (MEMS). تقيس هذه المستشعرات القوى التي تعمل على كيانين لهما نفس الكتلة ولكنهما يتأرجحان في اتجاهين مختلفين.
تأثير Sagnac
على الرغم من أن أجهزة الاستشعار تستخدم الآن على نطاق واسع إلا أنها ذات حساسية محدودة وبالتالي الجيروسكوبات الضوئية مطلوبين. يتمثل الاختلاف الجوهري في أن الجيروسكوبات الضوئية قادرة على أداء مهمة مماثلة ولكن بدون أي أجزاء متحركة وبدقة أكبر. يمكن تحقيق ذلك من خلال تأثير Sagnac ، وهي ظاهرة بصرية تستخدم نظرية أينشتاين للنسبية العامة لاكتشاف التغيرات في السرعة الزاوية. أثناء تأثير Sagnac ، يتم تقسيم شعاع من ضوء الليزر إلى شعاعين مستقلين ينتقلان الآن في اتجاهين متعاكسين على طول مسار دائري يلتقيان في نهاية المطاف في كاشف ضوئي واحد. يحدث هذا فقط إذا كان الجهاز ثابتًا ، ويرجع ذلك أساسًا إلى أن الضوء ينتقل بسرعة ثابتة. ومع ذلك ، إذا كان الجهاز يدور ، يتم أيضًا تدوير مسار الضوء مما يتسبب في وصول الشعاعين المنفصلين إلى كاشف الضوء في نقطة زمنية مختلفة. يسمى هذا التحول في الطور بتأثير Sagnac ويتم قياس هذا الاختلاف في التزامن بواسطة الجيروسكوب ويستخدم لحساب الاتجاه.
تأثير Sagnac حساس جدًا للضوضاء في الإشارة وأي ضوضاء محيطة مثل التقلبات أو الاهتزازات الحرارية الصغيرة يمكن أن تعطل الحزم أثناء انتقالها. وإذا كان حجم الجيروسكوب أصغر بكثير ، فهو أكثر عرضة للاضطراب. من الواضح أن الجيروسكوبات الضوئية أكثر فاعلية بكثير ، لكن لا يزال من الصعب تصغير حجم الجيروسكوبات الضوئية ، أي تقليل حجمها ، لأنه كلما أصبحت أصغر ، تضعف الإشارة المرسلة من أجهزة الاستشعار أيضًا ثم تضيع في الضوضاء التي تولدها جميع العناصر المتناثرة. ضوء. هذا يجعل الجيروسكوب أكثر صعوبة في اكتشاف الحركة. لقد أدى هذا السيناريو إلى تقييد تصميم الجيروسكوبات الضوئية الأصغر. أصغر جيروسكوب يتمتع بأداء جيد هو على الأقل حجم كرة الجولف وبالتالي فهو غير مناسب للأجهزة المحمولة الصغيرة.
تصميم جديد لجيروسكوب صغير
صمم باحثون في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا بالولايات المتحدة الأمريكية جيروسكوبًا ضوئيًا بضوضاء منخفضة جدًا يستخدم الليزر بدلاً من مستشعرات MEMS ويحصل على نتائج مكافئة. تم نشر دراستهم في طبيعة الضوئيات. لقد أخذوا شريحة سيليكون صغيرة بحجم 2 مم مربع وقاموا بتركيب قناة عليها لتوجيه الضوء. تساعد هذه القناة في توجيه الضوء للتحرك في كل اتجاه حول دائرة. تخلص المهندسون من الضوضاء المتبادلة عن طريق إطالة مسار أشعة الليزر باستخدام قرصين. عندما يصبح مسار الحزمة أطول ، يتم تسوية كمية الضوضاء مما يؤدي إلى قياس دقيق عند التقاء الشعاعين. يتيح ذلك استخدام جهاز أصغر مع الحفاظ على نتائج دقيقة. كما يقوم الجهاز بعكس اتجاه الضوء للمساعدة في إلغاء الضوضاء. تم تسمية مستشعر الدوران المبتكر هذا باسم XV-35000CB. تم تحقيق الأداء المحسن من خلال طريقة "تعزيز الحساسية المتبادلة". يقصد بالمقلوب أنه يؤثر على حزمتين مستقلين من الضوء بنفس الطريقة. يعتمد تأثير Sagnac على اكتشاف التغيير بين هذين الشعاعين لأنهما يسافران في اتجاهين متعاكسين وهذا يساوي كونهما غير متبادلين. ينتقل الضوء عبر أدلة موجية ضوئية صغيرة وهي عبارة عن قنوات صغيرة تحمل الضوء ، على غرار الأسلاك في الدائرة الكهربائية. ستؤثر أي عيوب في المسار البصري أو التداخل الخارجي على كلا الحزم.
يعمل تعزيز الحساسية المتبادلة على تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء مما يتيح دمج هذا الجيروسكوب البصري في شريحة صغيرة ربما بحجم طرف الظفر. هذا الجيروسكوب الصغير أصغر حجمًا بما لا يقل عن 500 مرة من الأجهزة الموجودة ولكن يمكنه اكتشاف تحولات الطور بنجاح 30 مرة أصغر من الأنظمة الحالية. يمكن استخدام هذا المستشعر بشكل أساسي في أنظمة لتصحيح اهتزازات الكاميرا. أصبحت الجيروسكوبات الآن لا غنى عنها في مجالات مختلفة ، وتظهر الأبحاث الحالية أنه من الممكن تصميم الجيروسكوبات الضوئية الأصغر على الرغم من أن الأمر قد يستغرق بعض الوقت حتى يصبح هذا التصميم المختبري متاحًا تجاريًا.
***
المصدر (ق)
Khial PP وآخرون 2018. جيروسكوب بصري نانوفوتوني مع تحسين حساسية متبادلة. طبيعة الضوئيات. 12 (11). https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5
***
