Оптические микрогироскопы: новая старая технология

Американские ученые готовы создать самый миниатюрный гироскоп в мире 3 Апрель 2015, 08:09

Пара световых волн — одна проносится по часовой стрелке вдоль микроскопического оптического пути, а другая — против — могут сыграть важнейшую роль в создании самого миниатюрного в мире гироскопа, размеры которого не будут превышать толщины человеческого волоса. Путем масштабирования ранее известной технологии и переноса ее в микроскопический мир, группа физиков надеется создать новое поколение невероятно компактных навигационных систем на основе гироскопов и других не менее интересных устройств.

«Мы разработали новую схему обнаружения, что может привести к созданию самого миниатюрного гироскопа, — комментирует результаты исследования один из его участников, Ли Джи (Li Ge) из Городского университета Нью-Йорка. — Хотя эти так называемые оптические гироскопы не являются чем-то новым, мы смогли значительно уменьшить размеры [этих устройств] и повысить чувствительность». 

Гироскопы сегодня являются незаменимыми компонентами для многих технологий, в том числе — инерциальных систем наведения, которые отслеживают движение объекта и его ориентацию. Эти системы постоянно используются для управления космическими зондами, спутниками и ракетами. Но как и для многих других важных компонентов аэрокосмической техники, ключевым фактором применения тех или иных гироскопов является вес. Согласно подсчетам НАСА, вывод на орбиту груза весом в 1 фунт (450 г) обходится в $10 тыс., поэтому инженеры и руководители космических проектов беспрестанно ищут пути снижения размеров и веса основных компонентов.

Если размер оптического гироскопа удастся снизить до долей миллиметра, как это описано в научной статье, его можно будет интегрировать в оптические монтажные платы, которые похожи на обычные электрические, но для переноса информации используют световое излучение, а не электрический ток. Это может резко снизить стоимость оборудования, используемого в космических миссиях, что открывает новые возможности для создания следующего поколения бортовых микроустройств.
В оптических гироскопах используется эффект Саньяка, который создает измеримую картину интерференции световых волн, когда они расщепляются, а затем рекомбинируют при выходе из вращающейся системы

Принцип действия оптических гироскопов и их конструкция полностью отличается от механических гироскопов, которые сегодня используются на военных кораблях для стабилизации и наведения для ракет — у оптических устройств нет движущихся частей. Вместо этого, две световых волны распространяются вокруг оптической полости или волокна в противоположных направлениях.

Традиционные механические гироскопы используют законы Ньютона для поддержания устойчивости и ориентации. Эти физические принципы, однако, не распространяются на световое излучение, поэтому для измерения движения требуется искать явные, но едва различимые оптические сигналы.

Одни из таких сигналов связаны с необычным свойством света, известным как эффект Саньяка, который создает измеримую картину интерференции световых волн, когда они расщепляются, а затем рекомбинируют при выходе из вращающейся системы. Размеры коммерческих оптических гироскопов, разработанных с использованием этого принципа, сравнимы с размером бейсбольного, а иногда и баскетбольного мяча. И только сегодня — добившись огромного роста чувствительности — разработчикам похоже удастся значительно снизить размеры гироскопов этого типа.