Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Elektroda.pl
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Świetlny żyroskop szansą na rewolucję w zakresie nawigacji

ghost666 05 Kwi 2015 23:39 2697 0
  • Świetlny żyroskop szansą na rewolucję w zakresie nawigacji Para promieni światła - jeden przelatujący zgodnie z, a drugi przeciwnie do kierunku obrotu wskazówek zegara - w mikroskopijnym torze, mogą być kluczem do stworzenia najmniejszego na świecie żyroskopu. Układ ten ma jedynie ułamek grubości ludzkiego włosa. Dzięki sprowadzeniu tego rodzaju technologii, możliwe ma być stworzenie nowoczesnych systemów nawigacyjnych o ekstremalnie małych rozmiarach.

    "Odkryliśmy, że nowy rodzaj detekcji światła doprowadzić może do stworzenia najmniejszego na świecie żyroskopu" - mówi Li Ge, fizyk z Miejskiego Uniwersytetu w Nowym Jorku. "Jakkolwiek te tak zwane żyroskopy optyczne nie są same w sobie nowością, to nasze podejście pozwoliło uzyskać wysoką czułość przy niewielkim rozmiarze".

    Ge wraz ze współpracownikami - fizykiem Hui Cao i jego studentem Raktimem Sarma z Uniwersytety Yale w New Haven w Connecticut w USA, opublikował pracę opisującą stworzony przez nich żyroskop w czasopiśmie Optica, wydawanym przez The Optical Society's (OSA). Publikacja dostępna jest tutaj.

    Oprócz zabawek edukacyjnych i pokazów na lekcjach fizyki, żyroskopy niezastąpione są w systemach nawigacji, w tym w systemach inercyjnych, które pozwalają na monitorowanie ruchu i orientacji obiektu w przestrzeni. Próbniki kosmiczne oraz rakiety w ciągły sposób polegają na tego rodzaju układach umożliwiających im precyzyjną kontrolę ruchu w przestrzeni. Dla znacznej części z tych systemów waga elementów jest bardzo istotnym czynnikiem. Zgodnie z danymi NASA wyniesienie jednego funta na orbitę to koszt około 10 tysięcy dolarów, zatem projektowanie coraz mniejszych i lżejszych elementów jest kluczowe dla inżynierów i menedżerów projektów kosmicznych.

    Jeśli rozmiar optycznych żyroskopów zostanie zredukowany do ułamka milimetra, jak ten w opisywanym artykule, to możliwe byłoby zintegrowanie go z optycznymi układami scalonymi. Elementy tego rodzaju podobne są do klasycznych układów scalonych, jednakże do przenoszenia informacji wykorzystują one światło zamiast prądu elektrycznego. Takie rozwiązanie mogłoby mocno ograniczyć wagę awioniki wynoszonej w kosmos, co istotnie przełożyłoby się na koszt wyniesienia na orbitę tych systemów. Pozwoliłoby to na rozwinięcie się segmentu rynku odpowiedzialnego za najmniejszy z ładunków.

    Jak rozkręcić optyczny żyroskop

    Odmiennie od klasycznych żyroskopów mechanicznych, które wykorzystuje się teraz w nawigacji na statkach czy do naprowadzania rakiet, optyczne żyroskopy nie mają żadnych elementów mechanicznych. Zamiast tego w ich strukturze dwa promienie światła podróżują we wnęce optycznej albo w odpowiednio uformowanym światłowodzie, ciągle mijając się i pędząc w przeciwnych kierunkach.

    Tradycyjne żyroskopy opierają swoją zasadę działania na Newtonowskich prawach dynamiki. Jednakże te zasady nie obowiązują światłą, zatem obserwacja wpływu ruchu na optyczny żyroskop wymaga bardziej subtelnego podejścia.

    Jednym z tego rodzaju podejść jest wykorzystanie nietypowej własności światła, objawiającej się efektem Sagnaca. Mówiąc prostymi słowami, zjawisko to pozwala na interferencję pomiędzy dwoma wiązkami w obracającym się układzie. Komercyjnie dostępne żyroskopy oparte o to zjawisko są jednakże wielkości piłki (od tenisowej do takiej do koszykówki). Można produkować mniejsze układy tego rodzaju, ale wtedy potrzebne są o wiele precyzyjniejsze detektory niż dostępne obecnie.

    Zbudować żyroskop ze światła

    Tradycyjnie inżynierowie korzystają z dwóch architektur układu, jeśli chodzi o konstrukcję żyroskopów opartych o interferometr Sagnaca. W pierwszej wykorzystuje się optyczną wnękę rezonansową (odpowiednio uformowany w krysztale układ falowodów), a w drugiej światłowód do kierowania biegiem wiązek światła.

    Drugie z tych podejść okazywało się być, póki co, lepszym jeśli chodzi o czułość, gdyż możliwe było jej podnoszenie poprzez wydłużanie światłowodu (w niektórych aplikacjach nawet do np. 5 km). Takie ilości światłowodu nawijało się na rdzeń o średnicy ok. 5 cm, co pozwalało na zmniejszenie wielkości układu. Niestety istnieją pewne ograniczenia tego rodzaju układu i długości włókna światłowodu i wielkości układu, chociażby przez to, że istnieją ograniczenia co do promienia zgięcia światłowodu, po przekroczeniu którego ulega on uszkodzeniu.

    Aby naprawdę zmniejszyć rozmiar interferometru, wnęka rezonansowa wydaje się być lepszym rozwiązaniem. Problemem jednakże w tej materii jest czułość takiego żyroskopu - im mniejsza wnęka, tym element będzie mniej czuły na rotację.

    "Ten problem uniemożliwiał naukowcom stworzenie tego rodzaju mikroskopijnego, optycznego żyroskopu" -mówi Ge. "Było już kilka prób do obejścia tych ograniczeń, ale nikomu nie udało się dotychczas pokonać największego z problemów, wynikającego z samej istoty efektu Sagnaca".

    Badacze byli w stanie pokonać to ograniczenie, wykorzystując zjawisko związane z emisją dalekiego pola. Zamiast bezpośrednio mierzyć zmianę barwy fali świetlnej opuszczającej interferometr, naukowcy doszli do wniosku, iż możliwe jest mierzenie całego interferogramu produkowanego przez układ.

    "To była kluczowa innowacja, odnalezienie nowego sygnału, który pozwolił znacznie poprawić czułość układu na obrót" - mówi Ge. "Żyroskopy optyczne zoptymalizowane do pomiaru tego nowego sygnału, jak pokazaliśmy, mogą być mniejsze niż 10 mikronów".

    Idea układu jest podobna do obracania żarówki. Na pierwszy rzut oka nie widać żadnych efektów obracania się, ale w niewielkiej skali czynność jej obracanie powoduje, na skutek efektów relatywistycznych, zaginanie przestrzeni wokół źródła światła. Powoduje to powstanie niemalże niewidocznych wzorów na ścianach. Ich pomiar jednakże pozwala na determinację prędkości obrotu żarówki na podstawie stopnia zniekształcenia tych wzorów.

    Obracanie żyroskopem

    Aby uruchomić tego rodzaju żyroskop, konieczne jest wpompowanie fali świetlnej do wnęki optycznej. Powoduje to generację dwóch promieni biegnących w rezonatorze w przeciwnych kierunkach. To zjawisko porównać można do wprawienia w ruch struny gitarowej na środku jej długości - wibracje rozchodzić będą się po niej w obie strony równocześnie.

    Dzięki precyzyjnemu projektowi tej wnęki, naukowcy byli w stanie kontrolować, w którym miejscu promienie świetlne opuszczać będą rezonator. Zazwyczaj wnęki tego rodzaju projektuje się tak, aby były w stanie uwięzić światło na możliwie długi czas. W tym jednakże przypadku konieczne było zbalansowanie tej własności wnęki optycznej i konieczności umożliwienia światłu ucieczki, tak aby wygenerować interferogram w dalekim polu. Wzór ten zbiera się dzięki wykorzystaniu pary podobnych do kamery detektorów umieszczonych pod różnym kątem do wyjścia z wnęki, które dodatkowo przemieszczają się dookoła niej. Umożliwia to na bieżąco monitorować zniekształcenia wzoru interferencyjnego, co pozwala na wyznaczenie prędkości kątowej żyroskopu.

    Jakkolwiek taki pomiar pozwala na pomiar prędkości obrotowej tylko w jednej osi, to wykorzystanie trzech tego rodzaju żyroskopów powinno pozwolić na pomiar ruchu w środowisku trójwymiarowym, aby uzyskać pełen obraz ruchu przedmiotu.

    Kolejny krok w rozwoju technologii optycznej

    Zgodnie z tym, co mówią naukowcy, konieczne są dalsze badania, mające na celu uwzględnienie możliwości propagacji wielu modów światła przez falowody składające się na wnękę rezonansową. Współistnienie takowych będzie miało wpływ na wzór interferencyjny, co może spowodować zmniejszenie czułości żyroskopu. Badacze zajmują się aktualnie opracowaniem metody pozwalającej na kontrolowanie opisanego efektu.

    Źródło:

    http://phys.org/news/2015-04-light-powered-gy...e=menu&utm_medium=link&utm_campaign=item-menu

    Fajne! Ranking DIY
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9953 postów o ocenie 8211, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.