วิศวกรได้สร้างไจโรสโคปที่ตรวจจับแสงที่เล็กที่สุดในโลก ซึ่งสามารถรวมเข้ากับเทคโนโลยีสมัยใหม่แบบพกพาที่เล็กที่สุดได้อย่างง่ายดาย
ไจโรสโคป เป็นเรื่องธรรมดาในทุกเทคโนโลยีที่เราใช้ในยุคปัจจุบัน ไจโรสโคปใช้ในยานพาหนะ โดรน และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เช่น โทรศัพท์มือถือและอุปกรณ์สวมใส่ เนื่องจากช่วยให้ทราบทิศทางที่ถูกต้องของอุปกรณ์ในพื้นที่สามมิติ (3D) เดิมทีไจโรสโคปเป็นอุปกรณ์ของล้อซึ่งช่วยให้ล้อหมุนเร็วบนแกนในทิศทางต่างๆ มาตรฐาน ออปติคอล ไจโรสโคปประกอบด้วยใยแก้วนำแสงสปูลที่นำแสงเลเซอร์พัลส์ สิ่งนี้ทำงานในทิศทางตามเข็มนาฬิกาหรือทวนเข็มนาฬิกา ในทางตรงกันข้าม ไจโรสโคปในยุคปัจจุบันคือเซ็นเซอร์ เช่น ในโทรศัพท์มือถือจะมีเซ็นเซอร์ไมโครเครื่องกลไฟฟ้า (MEMS) อยู่ เซ็นเซอร์เหล่านี้วัดแรงที่กระทำต่อเอนทิตีสองชนิดที่มีมวลเท่ากันแต่กำลังสั่นไหวในสองทิศทางที่ต่างกัน
เอฟเฟกต์ Sagnac
เซ็นเซอร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบันมีความไวที่จำกัด ดังนั้น ไจโรสโคปแสง ต้องการ. ความแตกต่างที่สำคัญคือไจโรสโคปแบบออปติคัลสามารถทำงานที่คล้ายคลึงกัน แต่ไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ได้และมีความแม่นยำมากขึ้น สิ่งนี้ทำได้โดยเอฟเฟกต์ Sagnac ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ทางแสงซึ่งใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์เพื่อตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของความเร็วเชิงมุม ระหว่างเอฟเฟกต์ Sagnac ลำแสงเลเซอร์จะแยกออกเป็นลำแสงอิสระสองลำ ซึ่งขณะนี้เคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้ามตามเส้นทางที่โค้งมน ในที่สุดก็มาบรรจบกันที่เครื่องตรวจจับแสงเครื่องเดียว สิ่งนี้จะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่ออุปกรณ์อยู่นิ่งและส่วนใหญ่เป็นเพราะแสงเดินทางด้วยความเร็วคงที่ อย่างไรก็ตาม หากอุปกรณ์กำลังหมุน ทางเดินของแสงก็จะหมุนไปด้วย ทำให้ลำแสงทั้งสองแยกกันไปถึงเครื่องตรวจจับแสงที่จุดเวลาที่ต่างกัน การเปลี่ยนเฟสนี้เรียกว่าเอฟเฟกต์ Sagnac และความแตกต่างในการซิงโครไนซ์นี้วัดโดยไจโรสโคปและใช้ในการคำนวณการวางแนว
เอฟเฟกต์ Sagnac มีความไวต่อสัญญาณรบกวนในสัญญาณมาก และเสียงรอบข้าง เช่น ความผันผวนของความร้อนเล็กน้อยหรือการสั่นสะเทือน อาจรบกวนลำแสงขณะเคลื่อนที่ และหากไจโรสโคปมีขนาดเล็กกว่ามาก ก็มีแนวโน้มที่จะหยุดชะงัก ไจโรสโคปแบบออปติคัลมีประสิทธิภาพมากกว่าอย่างเห็นได้ชัด แต่ก็ยังเป็นความท้าทายในการลดขนาดไจโรสโคปแบบออปติคัล เช่น ลดขนาดลง เนื่องจากเมื่อมีขนาดเล็กลง สัญญาณที่ส่งจากเซ็นเซอร์ของพวกมันก็อ่อนลงและหายไปในสัญญาณรบกวนที่เกิดจากการกระจัดกระจายทั้งหมด แสงสว่าง. ทำให้ไจโรสโคปตรวจจับการเคลื่อนไหวได้ยากขึ้น ภาพจำลองนี้จำกัดการออกแบบไจโรสโคปแบบออปติคัลที่มีขนาดเล็กลง ไจโรสโคปที่เล็กที่สุดที่มีประสิทธิภาพดีคืออย่างน้อยขนาดของลูกกอล์ฟ จึงไม่เหมาะกับอุปกรณ์พกพาขนาดเล็ก
การออกแบบใหม่สำหรับไจโรสโคปขนาดเล็ก
นักวิจัยจาก California Institute of technology USA ได้ออกแบบเครื่องวัดการหมุนวนแบบออปติคัลที่มีสัญญาณรบกวนต่ำมาก ซึ่งใช้เลเซอร์แทนเซ็นเซอร์ MEMS และได้ผลลัพธ์ที่เท่าเทียมกัน การศึกษาของพวกเขาได้รับการตีพิมพ์ใน Photonics ธรรมชาติ. พวกเขาใช้ชิปซิลิกอนขนาด 2 ตร.ม. ขนาดเล็กและติดตั้งช่องบนเพื่อนำทางแสง ช่องนี้ช่วยนำแสงเดินทางรอบทิศทุกทิศทุกทางเป็นวงกลม วิศวกรกำจัดเสียงรบกวนซึ่งกันและกันโดยขยายเส้นทางของลำแสงเลเซอร์โดยใช้ดิสก์สองแผ่น เมื่อทางเดินของลำแสงยาวขึ้น ปริมาณสัญญาณรบกวนจะเท่ากันส่งผลให้การวัดที่แม่นยำเมื่อลำแสงทั้งสองมาบรรจบกัน ทำให้สามารถใช้อุปกรณ์ขนาดเล็กลงได้ แต่ยังคงให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำ อุปกรณ์ยังกลับทิศทางของแสงเพื่อช่วยในการตัดเสียงรบกวน เซ็นเซอร์ไจโรที่เป็นนวัตกรรมใหม่นี้มีชื่อว่า XV-35000CB ประสิทธิภาพที่ได้รับการปรับปรุงทำได้โดยวิธี 'การปรับปรุงความไวซึ่งกันและกัน' ซึ่งกันและกันหมายความว่ามันส่งผลกระทบต่อลำแสงอิสระสองลำในลักษณะเดียวกัน เอฟเฟกต์ Sagnac นั้นขึ้นอยู่กับการตรวจจับการเปลี่ยนแปลงระหว่างลำแสงทั้งสองนี้ในขณะที่มันเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม และสิ่งนี้ก็เท่ากับไม่ซึ่งกันและกัน แสงเดินทางผ่านท่อนำคลื่นแสงขนาดเล็กซึ่งเป็นท่อร้อยสายขนาดเล็กที่มีแสง คล้ายกับสายไฟในวงจรไฟฟ้า ความไม่สมบูรณ์ในเส้นทางแสงหรือการรบกวนจากภายนอกจะส่งผลต่อลำแสงทั้งสอง
การเพิ่มความไวซึ่งกันและกันช่วยปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน ทำให้ไจโรสโคปแบบออปติคัลนี้สามารถรวมเข้ากับชิปขนาดเล็กที่อาจมีขนาดเพียงปลายนิ้วสัมผัส ไจโรสโคปขนาดเล็กนี้มีขนาดเล็กกว่าอุปกรณ์ที่มีอยู่อย่างน้อย 500 เท่า แต่สามารถตรวจจับการเลื่อนเฟสที่เล็กกว่าระบบปัจจุบันได้สำเร็จถึง 30 เท่า เซ็นเซอร์นี้ใช้เป็นหลักในระบบเพื่อแก้ไขการสั่นของกล้อง ปัจจุบันไจโรสโคปเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในสาขาต่างๆ และการวิจัยในปัจจุบันแสดงให้เห็นว่าไจโรสโคปแบบออปติคัลที่มีขนาดเล็กกว่าสามารถออกแบบได้ แม้ว่าอาจต้องใช้เวลาสักระยะกว่าที่การออกแบบห้องปฏิบัติการนี้จะวางจำหน่ายในเชิงพาณิชย์
***
{คุณสามารถอ่านรายงานการวิจัยต้นฉบับได้โดยคลิกลิงก์ DOI ที่ระบุด้านล่างในรายการแหล่งที่มาที่อ้างอิง}
แหล่งที่มา (s)
Khial PP et al 2018 ไจโรสโคปออปติคัลนาโนพร้อมการเพิ่มความไวซึ่งกันและกัน Photonics ธรรมชาติ. 12(11) https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5
***
