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最小的光学陀螺仪

科学物理最小的光学陀螺仪

工程师们建造了世界上最小的光感陀螺仪,它可以很容易地集成到最小的便携式现代技术中。

陀螺仪 在我们今天使用的每项技术中都很常见。 陀螺仪用于车辆、无人机和电子设备,如手机和可穿戴设备,因为它们有助于了解设备在三维 (3D) 空间中的正确方向。 最初,陀螺仪是一种轮子装置,可以帮助轮子在不同方向的轴上快速旋转。 一个标准 光纤 陀螺仪包含一个带有脉冲激光的缠绕光纤。 这以顺时针或逆时针方向运行。 相比之下,现代陀螺仪是传感器,例如在手机中存在微机电传感器 (MEMS)。 这些传感器测量作用在两个质量相同但在两个不同方向摆动的实体上的力。

萨格纳克效应

尽管现在广泛使用的传感器灵敏度有限,因此 光学陀螺仪 需要。 一个关键的区别是光学陀螺仪能够执行类似的任务,但没有任何可移动部件,而且精度更高。 这可以通过萨格纳克效应实现,这是一种光学现象,它使用爱因斯坦的广义相对论来检测角速度的变化。 在萨格纳克效应期间,一束激光被分成两束独立的光束,它们现在沿着圆形路径以相反的方向传播,最终在一个光检测器处相遇。 只有当设备是静态的并且主要是因为光以恒定速度传播时才会发生这种情况。 然而,如果设备正在旋转,光路也会旋转,从而导致两个独立的光束在不同的时间点到达光检测器。 这种相移称为萨格纳克效应,这种同步差异由陀螺仪测量并用于计算方向。

萨格纳克效应对信号中的噪声非常敏感,任何周围的噪声,如小的热波动或振动,都会在光束传播时扰乱它们。 如果陀螺仪的尺寸小得多,那么它更容易受到干扰。 光学陀螺仪显然更有效,但缩小光学陀螺仪的尺寸仍然是一个挑战,即减小它们的尺寸,因为随着它们变小,从传感器传输的信号也会减弱,然后在所有散射产生的噪声中丢失光。 这导致陀螺仪更难检测运动。 这种情况限制了较小的光学陀螺仪的设计。 具有良好性能的最小陀螺仪至少是高尔夫球的大小,因此不适用于小型便携式设备。

小型陀螺仪的新设计

美国加州理工学院的研究人员设计了一种噪声极低的光学陀螺仪,该陀螺仪使用激光代替 MEMS 传感器并获得了等效的结果。 他们的研究发表在 自然光子学“. 他们采用了一个 2 平方毫米的微小硅芯片,并在其上安装了一个通道来引导光。 该通道有助于引导光在圆形的各个方向上传播。 工程师通过使用两个磁盘延长激光束的路径来消除相互干扰。 随着光束的路径变长,当两束光束相遇时,噪声量会变得均匀,从而实现准确的测量。 这允许使用更小的设备但仍保持准确的结果。 该设备还可以反转光的方向以帮助消除噪音。 这种创新的陀螺仪传感器被命名为 XV-35000CB。 改进的性能是通过“互易灵敏度增强”方法实现的。 互惠意味着它以相同的方式影响两个独立的光束。 Sagnac 效应基于检测这两个光束在相反方向传播时的变化,这等于是非互易的。 光穿过微型光波导,这些微型光波导是携带光的小导管,类似于电路中的电线。 光路中的任何缺陷或外部干扰都会影响两束光。

互易灵敏度的增强提高了信噪比,使这种光学陀螺仪能够集成到一个可能只有指甲尖大小的微小芯片上。 这种微型陀螺仪的尺寸至少比现有设备小 500 倍,但可以成功检测到比当前系统小 30 倍的相移。 该传感器主要用于系统中以校正相机的振动。 陀螺仪现在在不同领域不可或缺,目前的研究表明,可以设计更小的光学陀螺仪,尽管这种实验室设计可能需要一些时间才能商业化。

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{您可以通过单击下面引用来源列表中给出的 DOI 链接来阅读原始研究论文}

来源(S)

Khial PP 等人 2018 年。具有互易灵敏度增强的纳米光子光学陀螺仪。 自然光子学“. 12(11)。 https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5

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赛欧团队
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