«Мы нашли новую схему обнаружения, которая может привести к созданию самого маленького гироскопа в мире», — сказал Ли Ге, физик из Центра аспирантуры и Статен-Айлендского колледжа Городского университета Нью-Йорка. «Хотя эти так называемые оптические гироскопы не новы, наш подход примечателен как своими сверхмалыми размерами, так и потенциальной чувствительностью».Ге и его коллеги — физик Хуэй Цао и ее студентка Рактим Сарма из Йельского университета в Нью-Хейвене, штат Коннектикут, недавно опубликовали свои результаты в новом высокоэффективном журнале Optica Оптического общества (OSA).Гироскопы — это больше, чем игрушки для творческого обучения, они являются незаменимыми компонентами в ряде технологий, включая инерционные системы наведения, которые отслеживают движение и ориентацию объекта.
Космические зонды, спутники и ракеты постоянно полагаются на эти системы для точного управления полетом. Но, как и многие другие важные элементы аэрокосмической техники, вес является постоянной проблемой.
По данным НАСА, каждый фунт, выведенный на орбиту, стоит около 10 000 долларов, поэтому разработка необходимых компонентов, которые меньше и легче, — это постоянная борьба для инженеров и руководителей проектов.Если размер оптического гироскопа уменьшится до доли миллиметра, как это представлено в новом документе, его можно будет интегрировать в оптические печатные платы, которые похожи на обычные электрические печатные платы, но используют свет для передачи информации. вместо электрического тока. Это могло бы резко снизить стоимость оборудования в космических полетах, открыв возможность для нового поколения полезных микронагрузок.
Новые возможности для световых гироскоповВ отличие от механических гироскопов, которые в настоящее время используются на кораблях для стабилизации и ракет для наведения, оптические гироскопы не имеют движущихся частей. Вместо этого двойные световые волны бегают вокруг оптического резонатора или волокна, постоянно проходя друг с другом в противоположных направлениях.
Традиционные механические гироскопы используют законы движения Ньютона для поддержания устойчивости и ориентации. Однако те же самые принципы физики не применимы к свету, поэтому для измерения движения вместо этого требуется поиск контрольных, но очень тонких оптических сигналов.Один из таких сигналов исходит от необычного свойства света, известного как эффект Саньяка, который, проще говоря, создает измеримую интерференционную картину, когда световые волны расщепляются, а затем рекомбинируют, покидая вращающуюся систему. Коммерческие оптические гироскопы основаны на этом принципе, их размеры варьируются от бейсбольных до баскетбольных.
Их можно было бы сделать намного меньше, но для измерения вращения потребуется гораздо более высокий уровень чувствительности, чем это доступно в настоящее время.Делаем гироскоп из светаТрадиционно инженеры использовали два подхода к созданию оптических гироскопов, оба основывались на эффекте Саньяка.
Первый использует оптический резонатор — инженерную структуру на кристалле — для ограничения света, а второй использует оптическое волокно для направления света.Второй подход на сегодняшний день является наиболее практичным, поскольку его чувствительность можно легко повысить, используя более длинные участки оптического волокна (некоторые длиной до пяти километров). Эти отрезки волокна затем будут обернуты вокруг объекта диаметром около пяти сантиметров, чтобы получить более приемлемый размер. Хотя эта система чувствительна к вращению, существуют практические ограничения на то, какой длины может быть волокно и насколько маленьким оно может быть намотано, прежде чем само волокно будет повреждено.
По-настоящему маленькие оптические резонаторы кажутся предпочтительным вариантом, где эффект Саньяка проявляется в виде тонкого изменения цвета. Проблема, однако, заключается в том, что чувствительность оптических гироскопов этого типа ухудшается по мере уменьшения размера резонатора.
«Эта проблема была препятствием, которое помешало ученым разработать крошечные оптические гироскопы», — отметил Ге. «Было предпринято несколько попыток обойти это ограничение, но они не смогли обойти настоящую проблему, сам эффект Саньяка».Исследователи смогли преодолеть это препятствие, используя совершенно другой принцип, основанный на излучении в дальней зоне. Вместо того, чтобы напрямую измерять изменение цвета световых волн, исследователи определили, что они могут измерить узор, создаваемый светом при выходе из полости.
«Это было нашим ключевым нововведением — обнаружение нового сигнала с значительно улучшенной чувствительностью к вращению», — сказал Ге. «Мы обнаружили, что оптические гироскопы, оптимизированные для генерации и обнаружения этого нового сигнала, могут иметь диаметр около 10 микрон — меньше, чем поперечное сечение человеческого волоса».Идея похожа на вращение непокрытой лампочки. Вы не можете увидеть никакого прямого вращения, но в малых масштабах сам акт вращения вызывает небольшой, но измеримый релятивистский эффект — слегка искривляет пространство внутри и вокруг источника света.
Это тогда почти незаметно искажает рисунок на стене. Однако при измерении скорость вращения можно рассчитать по степени искажения.Вращение гироскопа
Для запуска нового оптического гироскопа световые волны сначала накачиваются в оптический резонатор. Это естественным образом создает световые волны, движущиеся как по часовой стрелке, так и против нее. Это похоже на перехват гитарной струны посередине, при котором вибрации посылаются одновременно в обоих направлениях.Тщательно разработав форму оптического резонатора, исследователи смогли контролировать выход обеих волн.
Обычно полости предназначены для улавливания света как можно дольше. Здесь исследователям нужно было уравновесить свойства поглощения света резонатором с необходимостью выхода некоторого количества света для создания диаграммы излучения в дальней зоне. Эта картина наблюдается при размещении пары детекторов, подобных камере, обращенных к полости под разными углами, которые перемещаются вместе с полостью. Это позволяет им постоянно отслеживать рисунок на предмет искажений, которые могут указывать на скорость вращения.
Хотя это показывает только одну плоскость движения, несколько таких датчиков с разной ориентацией могут дать полностью трехмерную картину того, как движется объект.Следующие шаги и развитие технологий
По словам исследователей, необходимы дальнейшие исследования, чтобы учесть возможность одновременного существования в резонаторе множества мод или световых путей. Их диаграммы излучения в дальней зоне могут изменяться по-разному, что приводит к снижению чувствительности к вращению.
В настоящее время исследователи работают над различными методами контроля этого эффекта.