Il più piccolo giroscopio ottico

1167

Gli ingegneri hanno costruito il più piccolo giroscopio di rilevamento della luce al mondo che potrebbe essere facilmente integrato nella più piccola tecnologia moderna portatile.

Optical Gyroscope

Giroscopi sono comuni in ogni tecnologia che usiamo al giorno d'oggi. I giroscopi sono utilizzati nei veicoli, nei droni e nei dispositivi elettronici come i cellulari e gli indossabili, poiché aiutano a conoscere il corretto orientamento di un dispositivo nello spazio tridimensionale (3D). Originariamente, un giroscopio è un dispositivo di una ruota che aiuta la ruota a girare velocemente su un asse in diverse direzioni. Uno standard ottico Il giroscopio contiene una fibra ottica che trasporta un impulso di luce laser. Questo gira in senso orario o antiorario. Al contrario, i giroscopi moderni sono sensori, ad esempio nei telefoni cellulari sono presenti sensori microelettromeccanici (MEMS). Questi sensori misurano le forze che agiscono su due entità di massa identica ma che oscillano in due direzioni diverse.

L'effetto Sagnac

PUBBLICITA'

I sensori anche se ora ampiamente utilizzati hanno una sensibilità limitata e quindi giroscopi ottici sono necessari. Una differenza cruciale è che i giroscopi ottici sono in grado di svolgere un compito simile ma senza parti mobili e con maggiore precisione. Questo è possibile grazie all'effetto Sagnac, un fenomeno ottico che utilizza la teoria della relatività generale di Einstein per rilevare i cambiamenti di velocità angolare. Durante l'effetto Sagnac, un raggio di luce laser viene spezzato in due fasci indipendenti che ora viaggiano in direzioni opposte lungo un percorso arrotondato, incontrandosi alla fine in un rilevatore di luce. Questo accade solo se il dispositivo è statico e principalmente perché la luce viaggia a velocità costante. Tuttavia, se il dispositivo sta ruotando, anche il percorso della luce viene ruotato facendo sì che i due fasci separati raggiungano il rilevatore di luce in un momento diverso. Questo spostamento di fase è chiamato effetto Sagnac e questa differenza di sincronizzazione viene misurata dal giroscopio e utilizzata per calcolare l'orientamento.

L'effetto Sagnac è molto sensibile al rumore nel segnale e qualsiasi rumore circostante, come piccole fluttuazioni termiche o vibrazioni, può disturbare i raggi mentre viaggiano. E se il giroscopio è di dimensioni considerevolmente più piccole, allora è più soggetto a perturbazioni. I giroscopi ottici sono ovviamente molto più efficaci, ma è ancora una sfida ridimensionare i giroscopi ottici, cioè ridurre le loro dimensioni, perché quando diventano più piccoli anche il segnale trasmesso dai loro sensori si indebolisce e poi si perde nel rumore generato da tutta la luce dispersa. Questo fa sì che il giroscopio abbia più difficoltà a rilevare il movimento. Questo scenario ha limitato la progettazione di giroscopi ottici più piccoli. Il più piccolo giroscopio con una buona performance è almeno della dimensione di una pallina da golf e quindi inadatto a piccoli dispositivi portatili.

Nuovo design per un piccolo giroscopio

I ricercatori del California Institute of technology USA hanno progettato un giroscopio ottico a bassissimo rumore che utilizza il laser invece dei sensori MEMS e ottiene risultati equivalenti. Il loro studio è pubblicato su Natura Fotonica. Hanno preso un minuscolo chip di silicio di 2 mm quadrati e vi hanno installato un canale per guidare la luce. Questo canale aiuta a guidare la luce a viaggiare in ogni direzione intorno a un cerchio. Gli ingegneri hanno eliminato il rumore reciproco allungando il percorso dei raggi laser utilizzando due dischi. Man mano che il percorso del fascio diventa più lungo, la quantità di rumore viene livellata, ottenendo una misurazione accurata quando i due fasci si incontrano. Questo permette di usare un dispositivo più piccolo, ma di mantenere risultati accurati. Il dispositivo inverte anche la direzione della luce per aiutare nella cancellazione del rumore. Questo innovativo sensore giroscopico si chiama XV-35000CB. Il miglioramento delle prestazioni è stato ottenuto con il metodo del "miglioramento reciproco della sensibilità". Reciproco significa che sta influenzando due fasci di luce indipendenti allo stesso modo. L'effetto Sagnac si basa sulla rilevazione del cambiamento tra questi due fasci mentre viaggiano in direzioni opposte e questo equivale ad essere non reciproco. La luce viaggia attraverso mini guide d'onda ottiche che sono piccoli condotti che portano la luce, simili ai fili in un circuito elettrico. Qualsiasi imperfezione nel percorso ottico o interferenza esterna influenzerà entrambi i fasci.

Il miglioramento della sensibilità reciproca migliora il rapporto segnale-rumore permettendo a questo giroscopio ottico di essere integrato su un minuscolo chip forse delle dimensioni della punta di un'unghia. Questo minuscolo giroscopio è almeno 500 volte più piccolo dei dispositivi esistenti, ma può rilevare con successo spostamenti di fase 30 volte più piccoli dei sistemi attuali. Questo sensore può essere utilizzato principalmente nei sistemi per correggere le vibrazioni di una telecamera. I giroscopi sono ormai indispensabili in diversi campi e la ricerca attuale mostra che è possibile progettare giroscopi ottici più piccoli, anche se potrebbe volerci del tempo prima che questo progetto di laboratorio sia disponibile in commercio.

***

{Puoi leggere il documento di ricerca originale cliccando il link DOI dato sotto nell'elenco delle fonti citate}.

Fonte(i)

Khial PP et al 2018. Giroscopio ottico nanofotonico con miglioramento della sensibilità reciproca. Natura Fotonica. 12(11). https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5

***

PUBBLICITA'