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Il giroscopio ottico più piccolo

SCIENZEFISICAIl giroscopio ottico più piccolo

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

giroscopi sono comuni in ogni tecnologia che usiamo nei tempi di oggi. I giroscopi sono utilizzati in veicoli, droni e dispositivi elettronici come cellulari e dispositivi indossabili poiché aiutano a conoscere il corretto orientamento di un dispositivo nello spazio tridimensionale (3D). In origine, un giroscopio è un dispositivo di una ruota che aiuta la ruota a girare velocemente su un asse in direzioni diverse. uno standard ottico il giroscopio contiene una fibra ottica avvolta che trasporta una luce laser a impulsi. Questo funziona 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 forze che agiscono su due entità di identica massa ma che oscillano in due direzioni diverse.

L'effetto Sagnac

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. Ciò è possibile grazie all'effetto Sagnac, un fenomeno ottico che utilizza la teoria della relatività generale di Einstein per rilevare i cambiamenti nella velocità angolare. Durante l'effetto Sagnac, un raggio di luce laser viene spezzato in due raggi indipendenti che ora viaggiano in direzioni opposte lungo un percorso arrotondato incontrandosi infine in un rivelatore 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 raggi separati raggiungano il rilevatore di luce in un momento diverso. Questo sfasamento 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, è più soggetto a interruzioni. I giroscopi ottici sono ovviamente molto più efficaci ma è comunque una sfida ridimensionare i giroscopi ottici cioè ridurne le dimensioni, perché man mano che diventano più piccoli anche il segnale trasmesso dai loro sensori si indebolisce e poi si perde nel rumore che viene generato da tutti i dispersi luce. Ciò fa sì che il giroscopio abbia maggiori difficoltà nel rilevare il movimento. Questo scenario ha limitato la progettazione di giroscopi ottici più piccoli. Il giroscopio più piccolo con buone prestazioni ha almeno le dimensioni di una pallina da golf e quindi non è adatto a piccoli dispositivi portatili.

Nuovo design per un piccolo giroscopio

I ricercatori del California Institute of Technology USA hanno progettato un giroscopio ottico con un rumore molto basso che utilizza il laser invece dei sensori MEMS e ottiene risultati equivalenti. Il loro studio è pubblicato in Nature Photonics. 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 attorno 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 raggio si allunga, la quantità di rumore viene livellata con conseguente misurazione accurata quando i due raggi si incontrano. Ciò consente l'uso di dispositivi più piccoli, pur mantenendo risultati accurati. Il dispositivo inverte anche la direzione della luce per aiutare nella cancellazione del rumore. Questo innovativo sensore giroscopico si chiama XV-35000CB. Le prestazioni migliorate sono state ottenute con il metodo del "miglioramento della sensibilità reciproca". Reciproco significa che influenza allo stesso modo due fasci di luce indipendenti. L'effetto Sagnac si basa sul rilevamento del cambiamento tra questi due raggi mentre viaggiano in direzioni opposte e ciò equivale a non essere reciproci. La luce viaggia attraverso mini guide d'onda ottiche che sono piccoli condotti che trasportano la luce, simili ai fili in un circuito elettrico. Eventuali imperfezioni nel percorso ottico o interferenze esterne influenzeranno entrambi i raggi.

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

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{Puoi leggere il documento di ricerca originale facendo clic sul collegamento DOI indicato di seguito nell'elenco delle fonti citate}

Fonte (s)

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

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