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Das kleinste optische Gyroskop

WISSENSCHAFTENPHYSIKDas kleinste optische Gyroskop

Ingenieure haben das kleinste lichtempfindliche Gyroskop der Welt gebaut, das sich leicht in die kleinste tragbare moderne Technologie integrieren lässt.

Gyroskope sind in jeder Technologie üblich, die wir heute verwenden. Gyroskope werden in Fahrzeugen, Drohnen und elektronischen Geräten wie Handys und Wearables verwendet, da sie helfen, die richtige Ausrichtung eines Geräts im dreidimensionalen (3D) Raum zu erkennen. Ursprünglich ist ein Gyroskop eine Vorrichtung eines Rades, die dem Rad hilft, sich schnell auf einer Achse in verschiedene Richtungen zu drehen. Ein Standard optisch Gyroskop enthält eine gespulte optische Faser, die ein gepulstes Laserlicht trägt. Dieser läuft entweder im oder gegen den Uhrzeigersinn. Im Gegensatz dazu sind moderne Gyroskope Sensoren, beispielsweise in Mobiltelefonen sind mikroelektromechanische Sensoren (MEMS) vorhanden. Diese Sensoren messen Kräfte, die auf zwei Körper gleicher Masse wirken, die aber in zwei verschiedene Richtungen schwanken.

Der Sagnac-Effekt

Die mittlerweile weit verbreiteten Sensoren haben eine begrenzte Empfindlichkeit und somit optische Gyroskope wird gebraucht. Ein entscheidender Unterschied besteht darin, dass optische Kreisel eine ähnliche Aufgabe erfüllen können, jedoch ohne bewegliche Teile und mit höherer Genauigkeit. Dies ist durch den Sagnac-Effekt erreichbar, ein optisches Phänomen, das Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie verwendet, um Änderungen der Winkelgeschwindigkeit zu erkennen. Während des Sagnac-Effekts wird ein Laserlichtstrahl in zwei unabhängige Strahlen aufgeteilt, die sich nun in entgegengesetzten Richtungen entlang eines abgerundeten Weges bewegen und schließlich auf einen Lichtdetektor treffen. Dies geschieht nur, wenn das Gerät statisch ist und hauptsächlich, weil sich das Licht mit konstanter Geschwindigkeit ausbreitet. Wenn sich das Gerät dreht, wird jedoch auch der Lichtweg gedreht, wodurch die beiden getrennten Strahlen den Lichtdetektor zu einem anderen Zeitpunkt erreichen. Diese Phasenverschiebung wird als Sagnac-Effekt bezeichnet und dieser Synchronisationsunterschied wird vom Gyroskop gemessen und zur Berechnung der Orientierung verwendet.

Der Sagnac-Effekt reagiert sehr empfindlich auf Rauschen im Signal und Umgebungsgeräusche wie kleine Temperaturschwankungen oder Vibrationen können die Strahlen auf ihrem Weg stören. Und wenn das Gyroskop wesentlich kleiner ist, ist es anfälliger für Störungen. Optische Gyroskope sind offensichtlich viel effektiver, aber es ist immer noch eine Herausforderung, optische Gyroskope zu verkleinern, dh ihre Größe zu reduzieren, da das von ihren Sensoren übertragene Signal auch schwächer wird und dann im Rauschen verloren geht, das durch all die Streuungen erzeugt wird hell. Dies führt dazu, dass das Gyroskop eine Bewegung schwieriger erkennt. Dieses Szenario hat das Design kleinerer optischer Gyroskope eingeschränkt. Der kleinste Kreisel mit guter Leistung ist mindestens so groß wie ein Golfball und daher für kleine tragbare Geräte ungeeignet.

Neues Design für ein kleines Gyroskop

Forscher des California Institute of Technology USA haben ein optisches Gyroskop mit sehr geringem Rauschen entwickelt, das Laser anstelle von MEMS-Sensoren verwendet und gleichwertige Ergebnisse erzielt. Ihre Studie ist veröffentlicht in Nature Photonics. Sie nahmen einen winzigen 2 Quadratmillimeter großen Siliziumchip und installierten darauf einen Kanal, um das Licht zu leiten. Dieser Kanal hilft dabei, das Licht in alle Richtungen um einen Kreis zu lenken. Ingenieure beseitigten gegenseitiges Rauschen, indem sie den Weg der Laserstrahlen mit zwei Scheiben verlängerten. Wenn der Weg des Strahls länger wird, wird das Rauschen ausgeglichen, was zu einer genauen Messung führt, wenn die beiden Strahlen aufeinandertreffen. Dies ermöglicht die Verwendung eines kleineren Geräts, bei gleichzeitiger Beibehaltung genauer Ergebnisse. Das Gerät kehrt auch die Lichtrichtung um, um die Geräuschunterdrückung zu unterstützen. Dieser innovative Gyrosensor heißt XV-35000CB. Die verbesserte Leistung wurde durch die Methode der 'reziproken Empfindlichkeitssteigerung' erreicht. Reziprok bedeutet, dass es zwei unabhängige Lichtstrahlen in gleicher Weise beeinflusst. Der Sagnac-Effekt basiert auf der Erkennung von Veränderungen zwischen diesen beiden Strahlen, während sie sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen, und dies ist gleichbedeutend mit einer nicht-reziproken Wirkung. Das Licht läuft durch kleine optische Wellenleiter, die kleine Leitungen sind, die Licht transportieren, ähnlich wie Drähte in einem elektrischen Stromkreis. Jegliche Unvollkommenheiten im optischen Pfad oder äußere Interferenzen wirken sich auf beide Strahlen aus.

Die Verbesserung der reziproken Empfindlichkeit verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis, wodurch dieses optische Gyroskop auf einem winzigen Chip von der Größe einer Fingernagelspitze integriert werden kann. Dieses winzige Gyroskop ist mindestens 500-mal kleiner als bestehende Geräte, kann jedoch 30-mal kleinere Phasenverschiebungen als die aktuellen Systeme erfolgreich erkennen. Dieser Sensor kann hauptsächlich in Systemen verwendet werden, um Vibrationen einer Kamera zu korrigieren. Gyroskope sind heute in verschiedenen Bereichen unverzichtbar, und aktuelle Forschungen zeigen, dass kleinere optische Gyroskope konstruiert werden können, obwohl es einige Zeit dauern kann, bis dieses Labordesign kommerziell erhältlich ist.

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{Sie können das ursprüngliche Forschungspapier lesen, indem Sie auf den unten angegebenen DOI-Link in der Liste der zitierten Quellen klicken}

Quelle (n)

Khial PP et al 2018. Nanophotonisches optisches Gyroskop mit reziproker Empfindlichkeitsverbesserung. Nature Photonics. 12(11). https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5

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