หมุนแสง: ออปติคัลไจโรสโคปที่เล็กที่สุดในโลก, วิศวกรของ Caltech สร้างไจโรสโคปแบบออปติคัลที่เล็กกว่าเมล็ดข้าว
เครื่องกลเทียบกับไจโรสโคปแบบออปติคัล: Gyroscopes เป็นอุปกรณ์ที่ช่วยยานพาหนะ, โดรน, และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สวมใส่ได้และถือได้รู้ว่าทิศทางของมันอยู่ในอวกาศสามมิติ. สิ่งเหล่านี้เป็นเรื่องธรรมดาในแทบทุกส่วนของเทคโนโลยีที่เราพึ่งพาทุกวัน. เดิมที, ไจโรสโคปเป็นชุดของล้อที่ซ้อนกัน, แต่ละคนหมุนอยู่บนแกนที่แตกต่างกัน. แต่วันนี้เปิดมือถือ, และคุณจะพบเซ็นเซอร์ไมโครไฟฟ้าเครื่องกล (เมมส์), เทียบเท่ากับยุคปัจจุบัน, ซึ่งวัดการเปลี่ยนแปลงของแรงที่กระทำต่อมวลที่เท่ากันสองตัวที่กำลังสั่นและเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม. ไจโรสโคป MEMS เหล่านี้มีความไวจำกัด, ไจโรสโคปแบบออปติคัลจึงได้รับการพัฒนาให้ทำหน้าที่เดียวกันแต่ไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวและมีความแม่นยำมากขึ้นโดยใช้ปรากฏการณ์ที่เรียกว่าปรากฏการณ์แซงยัค.
Sagnac Effect คืออะไร?
เอฟเฟกต์แซงยัค, ตั้งชื่อตามนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส Georges Sagnac, เป็นปรากฏการณ์ทางแสงที่มีรากฐานมาจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์. เพื่อสร้างมันขึ้นมา, ลำแสงถูกแยกออกเป็นสองส่วน, และคานคู่จะเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้ามตามทางเดินเป็นวงกลม, แล้วมาพบกันที่เครื่องตรวจจับแสงเดียวกัน. แสงเดินทางด้วยความเร็วคงที่, ดังนั้นการหมุนอุปกรณ์—และด้วยวิถีที่แสงเดินทาง—ทำให้ลำแสงหนึ่งในสองลำมาถึงเครื่องตรวจจับก่อนอีกลำแสงหนึ่ง. โดยมีการวนซ้ำในแต่ละแกนของการวางแนว, การเปลี่ยนเฟสนี้, เรียกว่าปรากฏการณ์แซงยัค, สามารถใช้ในการคำนวณการวางแนวได้.
ปัญหา
ออปติคอลไจโรสโคปประสิทธิภาพสูงที่เล็กที่สุดที่มีอยู่ในปัจจุบันมีขนาดใหญ่กว่าลูกกอล์ฟ และไม่เหมาะกับการใช้งานแบบพกพาหลายๆ อย่าง. เนื่องจากไจโรสโคปแบบออปติคัลถูกสร้างขึ้นให้มีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ, สัญญาณที่จับเอฟเฟกต์ Sagnac ก็เช่นกัน, ซึ่งทำให้ไจโรสโคปตรวจจับการเคลื่อนไหวได้ยากขึ้นเรื่อยๆ. จนกระทั่งบัดนี้, สิ่งนี้ได้ป้องกันการย่อขนาดของไจโรสโคปแบบออปติคัล.
การประดิษฐ์
วิศวกรของคาลเทคนำโดยอาลี ฮาจิมิริ, เบรน ศาสตราจารย์สาขาวิศวกรรมไฟฟ้าและวิศวกรรมการแพทย์ สาขาวิศวกรรมศาสตร์และวิทยาศาสตร์ประยุกต์, ได้พัฒนาไจโรสโคปแบบใหม่นั่นคือ 500 เล็กกว่าอุปกรณ์ล้ำสมัยในปัจจุบันถึงเท่าตัว, แต่พวกเขาสามารถตรวจจับการเปลี่ยนเฟสได้ 30 เล็กกว่าระบบเหล่านั้นหลายเท่า. อุปกรณ์ใหม่นี้อธิบายไว้ในบทความที่ตีพิมพ์ในฉบับเดือนพฤศจิกายน โฟโตนิกส์ธรรมชาติ.
มันทำงานอย่างไร
ไจโรสโคปใหม่จากห้องปฏิบัติการของฮาจิมิริได้รับประสิทธิภาพที่ดีขึ้นนี้โดยใช้เทคนิคใหม่ที่เรียกว่า “การเพิ่มประสิทธิภาพความไวซึ่งกันและกัน” ในกรณีนี้, “ซึ่งกันและกัน” หมายความว่ากระทบกับแสงทั้งสองลำภายในไจโรสโคปในลักษณะเดียวกัน. เนื่องจากเอฟเฟกต์ Sagnac อาศัยการตรวจจับความแตกต่างระหว่างลำแสงทั้งสองขณะเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม, ถือว่าไม่ตอบแทนกัน. ภายในไจโรสโคป, แสงเดินทางผ่านท่อนำคลื่นแสงขนาดจิ๋ว (ท่อเล็กๆ ที่นำพาแสง, ซึ่งทำหน้าที่เหมือนกับสายไฟเพื่อผลิตไฟฟ้า). ความไม่สมบูรณ์ในเส้นทางแสงที่อาจส่งผลต่อลำแสง (ตัวอย่างเช่น, ความผันผวนของความร้อนหรือการกระเจิงของแสง) และการรบกวนจากภายนอกจะส่งผลต่อคานทั้งสองเช่นเดียวกัน.
ทีมงานของ Hajimiri ค้นพบวิธีกำจัดเสียงรบกวนซึ่งกันและกันนี้โดยปล่อยให้สัญญาณจากเอฟเฟกต์ Sagnac ยังคงอยู่ การปรับปรุงความไวซึ่งกันและกันจึงช่วยปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวนในระบบ และช่วยให้สามารถรวมไจโรออปติคัลเข้ากับชิปที่มีขนาดเล็กกว่าเกรนได้ ของข้าว.
แหล่งที่มา: http://www.caltech.edu, โดย
ทิ้งคำตอบไว้
คุณต้อง เข้าสู่ระบบ หรือ ลงทะเบียน เพื่อเพิ่มความคิดเห็นใหม่ .