قام المهندسون ببناء أصغر جيروسكوب في العالم لاستشعار الضوء والذي يمكن دمجه بسهولة في أصغر تقنية حديثة محمولة.
تُعدّ الجيروسكوبات عنصرًا أساسيًا في جميع التقنيات التي نستخدمها اليوم. تُستخدم الجيروسكوبات في المركبات والطائرات المسيّرة والأجهزة الإلكترونية كالهواتف المحمولة والأجهزة القابلة للارتداء، إذ تُساعد في تحديد الاتجاه الصحيح للجهاز في الفضاء ثلاثي الأبعاد. في الأصل، كان الجيروسكوب عبارة عن عجلة تُساعدها على الدوران بسرعة حول محورها في اتجاهات مختلفة. يحتوي الجيروسكوب البصري القياسي على ليف بصري ملفوف يحمل نبضات ضوئية ليزرية، تدور إما باتجاه عقارب الساعة أو عكسها. أما الجيروسكوبات الحديثة فهي عبارة عن مستشعرات، كما هو الحال في الهواتف المحمولة التي تحتوي على مستشعرات كهروميكانيكية دقيقة (MEMS). تقيس هذه المستشعرات القوى المؤثرة على جسمين متطابقين في الكتلة، لكنهما يتحركان في اتجاهين مختلفين.
تأثير Sagnac
على الرغم من الاستخدام الواسع النطاق لأجهزة الاستشعار الحالية، إلا أن حساسيتها محدودة، مما يستدعي استخدام الجيروسكوبات الضوئية . ويكمن الاختلاف الجوهري في قدرة الجيروسكوبات الضوئية على أداء مهمة مماثلة، ولكن دون أي أجزاء متحركة وبدقة أعلى. ويتحقق ذلك بفضل تأثير ساغناك، وهي ظاهرة بصرية تستخدم نظرية النسبية العامة لأينشتاين لرصد التغيرات في السرعة الزاوية. خلال تأثير ساغناك، ينقسم شعاع الليزر إلى شعاعين مستقلين يسيران في اتجاهين متعاكسين على طول مسار دائري، ليلتقيا في النهاية عند كاشف ضوئي واحد. يحدث هذا فقط عندما يكون الجهاز ثابتًا، وذلك لأن الضوء يسير بسرعة ثابتة. أما إذا كان الجهاز يدور، فإن مسار الضوء يدور أيضًا، مما يؤدي إلى وصول الشعاعين المنفصلين إلى الكاشف الضوئي في أوقات مختلفة. يُطلق على هذا الفرق في الطور اسم تأثير ساغناك، ويقيس الجيروسكوب هذا الاختلاف في التزامن، ويستخدمه 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
صمّم باحثون في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا بالولايات المتحدة الأمريكية جيروسكوبًا بصريًا منخفض الضوضاء للغاية، يستخدم الليزر بدلًا من مستشعرات MEMS، ويحقق نتائج مماثلة. نُشرت دراستهم في مجلة Nature Photonics . استخدم الباحثون شريحة سيليكون صغيرة جدًا بمساحة 2 مم مربع، وثبّتوا عليها قناة لتوجيه الضوء. تساعد هذه القناة الضوء على الانتشار في جميع الاتجاهات حول دائرة. تخلص المهندسون من الضوضاء التبادلية عن طريق إطالة مسار أشعة الليزر باستخدام قرصين. مع ازدياد طول مسار الشعاع، تتساوى كمية الضوضاء، مما يؤدي إلى قياس دقيق عند التقاء الشعاعين. يُمكّن هذا من استخدام جهاز أصغر حجمًا مع الحفاظ على دقة النتائج. كما يعكس الجهاز اتجاه الضوء للمساعدة في إلغاء الضوضاء. يُطلق على مستشعر الجيروسكوب المبتكر هذا اسم XV-35000CB. وقد تحقق الأداء المحسّن من خلال طريقة "تحسين الحساسية التبادلية". تعني كلمة "تبادلية" أنها تؤثر على شعاعين ضوئيين مستقلين بنفس الطريقة. تعتمد ظاهرة ساغناك على رصد التغير بين شعاعين ضوئيين يسيران في اتجاهين متعاكسين، وهذا ما يُعرف بعدم التبادلية. ينتقل الضوء عبر موجهات ضوئية دقيقة، وهي قنوات صغيرة تنقل الضوء، تشبه الأسلاك في الدوائر الكهربائية. أي خلل في المسار الضوئي أو تداخل خارجي سيؤثر على كلا الشعاعين.
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)
خيال وآخرون، 2018. جيروسكوب بصري نانوفوتوني مع تعزيز حساسية متبادلة. مجلة نيتشر فوتونيكس ، 12(11). https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5
***
