מהנדסים בנו גירוסקופ חישת אור הזעיר בעולם, שניתן לשלב בקלות בטכנולוגיה המודרנית הניידת הקטנה ביותר.
גירוסקופים נפוצים בכל טכנולוגיה בה אנו משתמשים בזמנים של היום. גירוסקופים משמשים בכלי רכב, רחפנים ומכשירים אלקטרוניים כמו ניידים וציוד לביש מכיוון שהם עוזרים לדעת את הכיוון הנכון של מכשיר בחלל תלת מימדי (3D). במקור, גירוסקופ הוא מכשיר של גלגל שעוזר לגלגל להסתובב במהירות על ציר בכיוונים שונים. סטנדרט אופטי גירוסקופ מכיל סיב אופטי מפותל הנושא אור לייזר דופק. זה פועל בכיוון השעון או נגד כיוון השעון. לעומת זאת, גירוסקופים מודרניים הם חיישנים, לדוגמה בטלפונים ניידים קיימים חיישן מיקרו-אלקטרומכני (MEMS). חיישנים אלו מודדים כוחות הפועלים על שתי ישויות בעלות מסה זהה אך מתנודדות בשני כיוונים שונים.
אפקט סגניאק
למרות שהחיישנים נמצאים בשימוש נרחב יש רגישות מוגבלת ולכן גירוסקופים אופטיים דרושים. הבדל מכריע הוא שגירוסקופים אופטיים מסוגלים לבצע משימה דומה אך ללא חלקים זזים ובדיוק רב יותר. ניתן להשיג זאת באמצעות אפקט סגנאק, תופעה אופטית המשתמשת בתורת היחסות הכללית של איינשטיין כדי לזהות שינויים במהירות הזוויתית. במהלך אפקט Sagnac, אלומת אור לייזר נשברת לשתי אלומות עצמאיות אשר נעות כעת בכיוונים מנוגדים לאורך נתיב מעוגל הנפגשות בסופו של דבר בגלאי אור אחד. זה קורה רק אם המכשיר סטטי ובעיקר בגלל שהאור נע במהירות קבועה. עם זאת, אם המכשיר מסתובב, גם מסלול האור מסתובב וגורם לשתי האלומות הנפרדות להגיע לגלאי האור בנקודת זמן אחרת. הסטת פאזה זו נקראת אפקט Sagnac וההבדל הזה בסנכרון נמדד על ידי הג'ירוסקופ ומשמש לחישוב כיוון.
אפקט ה-Sagnac רגיש מאוד לרעש באות וכל רעש מסביב כמו תנודות תרמיות קטנות או רעידות יכול לשבש את הקורות בזמן שהן נוסעות. ואם הג'ירוסקופ הוא בגודל קטן בהרבה אז הוא נוטה יותר להפרעות. ג'ירוסקופים אופטיים הם כמובן הרבה יותר יעילים אבל זה עדיין אתגר להקטין את הגירוסקופים האופטיים כלומר להקטין את גודלם, מכיוון שככל שהם הופכים קטנים גם האות המועבר מהחיישנים שלהם נחלש ואז הולך לאיבוד ברעש שנוצר על ידי כל הפזורים אוֹר. זה גורם לג'ירוסקופ לקושי רב יותר בזיהוי תנועה. תרחיש זה הגביל את העיצוב של גירוסקופים אופטיים קטנים יותר. הג'ירוסקופ הקטן ביותר עם ביצועים טובים הוא לפחות בגודל של כדור גולף ולכן אינו מתאים למכשירים ניידים קטנים.
עיצוב חדש לג'ירוסקופ קטן
חוקרים מהמכון הטכנולוגי של קליפורניה בארה"ב תכננו גירוסקופ אופטי עם רעש נמוך מאוד, המשתמש בלייזר במקום בחיישני MEMS ומקבל תוצאות שוות. המחקר שלהם מתפרסם ב Nature Photonics. הם לקחו שבב סיליקון קטנטן בגודל 2 מ"מ רבוע והתקינו עליו תעלה שתנחה את האור. ערוץ זה עוזר להנחות את האור לנוע בכל כיוון סביב מעגל. מהנדסים ניכשו רעש הדדי על ידי הארכת הנתיב של קרני הלייזר באמצעות שני דיסקים. ככל שמסלול האלומה מתארך, כמות הרעש מתאזנת וכתוצאה מכך מדידה מדויקת כאשר שתי הקורות נפגשות. זה מאפשר שימוש במכשיר קטן יותר אך עדיין שומר על תוצאות מדויקות. המכשיר גם הופך את כיוון האור כדי לסייע בביטול רעשים. חיישן ג'ירו חדשני זה נקרא XV-35000CB. הביצועים המשופרים הושגו בשיטת 'שיפור רגישות הדדית'. הדדי פירושו שהוא משפיע על שתי אלומות אור עצמאיות באותו אופן. אפקט ה-Sagnac מבוסס על זיהוי של שינוי בין שתי הקורות הללו כשהן נעות בכיוונים מנוגדים וזה שווה להיות לא הדדי. האור עובר דרך מיני-מוליכי גל אופטיים שהם צינורות קטנים הנושאים אור, בדומה לחוטים במעגל חשמלי. כל פגמים בנתיב האופטי או הפרעות חיצוניות ישפיעו על שתי הקורות.
שיפור הרגישות ההדדית משפר את יחס האות לרעש ומאפשר שילוב של גירוסקופ אופטי זה על שבב זעיר אולי בגודל של קצה הציפורן. הג'ירוסקופ הזעיר הזה קטן בגודלו לפחות פי 500 מהמכשירים הקיימים, אך יכול לזהות בהצלחה שינויי פאזה קטנים פי 30 מהמערכות הנוכחיות. חיישן זה יכול לשמש בעיקר במערכות לתיקון רעידות של מצלמה. גירוסקופים חיוניים כיום בתחומים שונים ומחקרים עדכניים מראים שניתן לעצב גירוסקופים אופטיים קטנים יותר, אם כי עשוי לקחת זמן עד שעיצוב מעבדה זה יהיה זמין מסחרית.
***
{תוכל לקרוא את עבודת המחקר המקורית על ידי לחיצה על קישור ה-DOI המופיע להלן ברשימת המקורות המצוטטים}
מקור (ים)
Khial PP et al 2018. גירוסקופ אופטי ננופוטוני עם שיפור רגישות הדדי. Nature Photonics. 12 (11). https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5
***
