QUẢNG CÁO

Con quay hồi chuyển quang học nhỏ nhất

Các kỹ sư đã chế tạo con quay hồi chuyển cảm biến ánh sáng nhỏ nhất thế giới có thể dễ dàng tích hợp vào công nghệ hiện đại cầm tay nhỏ nhất.

Con quay hồi chuyển phổ biến trong mọi công nghệ mà chúng ta sử dụng trong thời đại ngày nay. Con quay hồi chuyển được sử dụng trong xe cộ, máy bay không người lái và các thiết bị điện tử như điện thoại di động và thiết bị đeo được vì chúng giúp biết hướng chính xác của một thiết bị trong không gian ba chiều (3D). Ban đầu, con quay hồi chuyển là một thiết bị của bánh xe giúp bánh xe quay nhanh trên một trục theo các hướng khác nhau. Một tiêu chuẩn quang học con quay hồi chuyển có chứa một sợi quang hình ống mang ánh sáng laser xung. Điều này chạy theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ. Ngược lại, con quay hồi chuyển hiện đại là cảm biến, ví dụ như trong điện thoại di động có cảm biến vi cơ điện tử (MEMS). Các cảm biến này đo các lực tác động lên hai thực thể có khối lượng giống hệt nhau nhưng dao động theo hai hướng khác nhau.

Hiệu ứng Sagnac

Các cảm biến hiện nay được sử dụng rộng rãi có độ nhạy hạn chế và do đó con quay hồi chuyển quang học được cần. Một điểm khác biệt quan trọng là con quay hồi chuyển quang học có thể thực hiện một nhiệm vụ tương tự nhưng không có bất kỳ bộ phận chuyển động nào và với độ chính xác cao hơn. Điều này có thể đạt được nhờ hiệu ứng Sagnac, một hiện tượng quang học sử dụng thuyết tương đối rộng của Einstein để phát hiện những thay đổi trong vận tốc góc. Trong hiệu ứng Sagnac, một chùm ánh sáng laze bị phá vỡ thành hai chùm sáng độc lập, bây giờ truyền theo các hướng ngược nhau dọc theo một đường tròn cuối cùng gặp nhau tại một máy dò ánh sáng. Điều này chỉ xảy ra nếu thiết bị tĩnh và chủ yếu là do ánh sáng truyền với tốc độ không đổi. Tuy nhiên, nếu thiết bị đang quay, đường đi của ánh sáng cũng bị quay khiến hai chùm sáng riêng biệt đến với máy dò ánh sáng ở một thời điểm khác nhau. Sự dịch chuyển pha này được gọi là hiệu ứng Sagnac và sự khác biệt về sự đồng bộ này được con quay hồi chuyển đo lường và được sử dụng để tính toán định hướng.

Hiệu ứng Sagnac rất nhạy cảm với tiếng ồn trong tín hiệu và bất kỳ tiếng ồn xung quanh nào như dao động nhiệt nhỏ hoặc rung động có thể làm gián đoạn các chùm tia khi chúng truyền đi. Và nếu con quay hồi chuyển có kích thước nhỏ hơn đáng kể thì nó sẽ dễ bị hỏng hơn. Con quay hồi chuyển quang học rõ ràng là hiệu quả hơn nhiều nhưng vẫn còn là một thách thức để thu nhỏ con quay hồi chuyển quang học tức là giảm kích thước của chúng, vì khi chúng trở nên nhỏ hơn, tín hiệu truyền từ cảm biến của chúng cũng yếu đi và sau đó bị mất tiếng ồn do tất cả các vật phân tán tạo ra. nhẹ. Điều này làm cho con quay hồi chuyển khó phát hiện chuyển động hơn. Kịch bản này đã hạn chế việc thiết kế các con quay hồi chuyển quang học nhỏ hơn. Con quay hồi chuyển nhỏ nhất có hiệu suất tốt ít nhất có kích thước bằng một quả bóng gôn và do đó không phù hợp với các thiết bị di động nhỏ.

Thiết kế mới cho một con quay hồi chuyển nhỏ

Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ California Hoa Kỳ đã thiết kế một con quay hồi chuyển quang học với độ ồn rất thấp, sử dụng tia laser thay vì cảm biến MEMS và thu được kết quả tương đương. Nghiên cứu của họ được xuất bản trong Thiên nhiên Photonics. Họ lấy một con chip silicon nhỏ 2 mm vuông và lắp một kênh trên đó để dẫn ánh sáng. Kênh này giúp dẫn ánh sáng đi theo mọi hướng xung quanh một vòng tròn. Các kỹ sư loại bỏ tiếng ồn tương hỗ bằng cách kéo dài đường đi của chùm tia laze bằng cách sử dụng hai đĩa. Khi đường đi của chùm tia trở nên dài hơn, lượng nhiễu sẽ được loại bỏ, dẫn đến phép đo chính xác khi hai chùm tia gặp nhau. Điều này cho phép sử dụng thiết bị nhỏ hơn nhưng vẫn duy trì kết quả chính xác. Thiết bị cũng đảo ngược hướng của ánh sáng để hỗ trợ loại bỏ tiếng ồn. Cảm biến con quay hồi chuyển sáng tạo này được đặt tên là XV-35000CB. Hiệu suất được cải thiện đạt được bằng phương pháp 'tăng cường độ nhạy tương hỗ'. Đối ứng có nghĩa là nó ảnh hưởng đến hai chùm ánh sáng độc lập theo cùng một cách. Hiệu ứng Sagnac dựa trên sự phát hiện ra sự thay đổi giữa hai chùm tia này khi chúng truyền theo các hướng ngược nhau và điều này tương đương với việc không theo chu kỳ. Ánh sáng truyền qua ống dẫn sóng quang mini là những ống dẫn nhỏ truyền ánh sáng, tương tự như dây dẫn trong mạch điện. Bất kỳ sự không hoàn hảo nào trong đường quang học hoặc sự can thiệp từ bên ngoài sẽ ảnh hưởng đến cả hai chùm tia.

Việc tăng cường độ nhạy tương hỗ giúp cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cho phép con quay hồi chuyển quang học này được tích hợp vào một con chip nhỏ có kích thước bằng đầu móng tay. Con quay hồi chuyển siêu nhỏ này có kích thước nhỏ hơn ít nhất 500 lần so với các thiết bị hiện có nhưng có thể phát hiện thành công sự dịch chuyển pha nhỏ hơn 30 lần so với các hệ thống hiện tại. Cảm biến này chủ yếu có thể được sử dụng trong các hệ thống để điều chỉnh độ rung của máy ảnh. Con quay hồi chuyển hiện nay không thể thiếu trong các lĩnh vực khác nhau và nghiên cứu hiện tại cho thấy rằng con quay hồi chuyển quang học nhỏ hơn có thể được thiết kế mặc dù có thể mất một thời gian để thiết kế phòng thí nghiệm này được bán trên thị trường.

***

{Bạn có thể đọc tài liệu nghiên cứu gốc bằng cách nhấp vào liên kết DOI đưa ra bên dưới trong danh sách (các) nguồn được trích dẫn}

Nguồn

Khial PP và cộng sự 2018. Con quay hồi chuyển quang âm nano với tăng cường độ nhạy tương hỗ. Thiên nhiên Photonics. 12 (11). https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5

***

Nhóm SCIEU
Nhóm SCIEUhttps://www.ScientificEuropean.co.uk
Khoa học Châu Âu® | SCIEU.com | Những tiến bộ đáng kể của khoa học. Tác động đến loài người. Đầu óc đầy cảm hứng.

Theo dõi bản tin của chúng tôi

Để được cập nhật tất cả các tin tức mới nhất, ưu đãi và thông báo đặc biệt.

Hầu hết các bài viết được ưa thích

Năng lượng tối: DESI tạo bản đồ 3D lớn nhất của vũ trụ

Để khám phá năng lượng đen tối, ...

Ô nhiễm nhựa ở Đại Tây Dương cao hơn nhiều so với suy nghĩ trước đây

Ô nhiễm nhựa là mối đe dọa lớn đối với các hệ sinh thái trên toàn thế giới ...
- Quảng cáo -
94,555Người hâm mộNhư
47,688Người theo dõiTheo
1,772Người theo dõiTheo
30Thuê baoTheo dõi