Mikroskopijny żyroskop świetlny zbliża się czułością do obrotu Ziemi

Grupa badaczy z USA stworzyła kompaktowy żyroskop oparty na świetle laserowym, zdolny wychwytywać obroty tak subtelne, że jego precyzja zbliża się do tempa, w jakim obraca się Ziemia. Całe urządzenie zmieściło się w obudowie o rozmiarach kilku centymetrów i działa bez jakichkolwiek ruchomych podzespołów mechanicznych. Kluczowym elementem konstrukcji jest pierścień, po którego wnętrzu poruszają się dwie wiązki laserowe - to właśnie różnice w ich zachowaniu umożliwiają wykrycie minimalnych zmian ruchu, niewidocznych dla klasycznych czujników.

GPS można zagłuszyć. Dlatego potrzebujemy innej nawigacji

Kłopoty z nawigacją satelitarną zdarzają się coraz częściej. W Polsce szczególnie dotyczy to rejonu Bałtyku, gdzie zakłócenia sygnałów GPS oraz pozostałych systemów satelitarnych regularnie komplikują korzystanie z urządzeń lokalizujących. Najbardziej odczuwają to lotnictwo, żegluga morska i systemy wojskowe.

Wcześniej informowaliśmy o przypadkach rosyjskiego zagłuszania GPS nad Bałtykiem, które potrafi doprowadzić do wskazywania przez urządzenia całkowicie błędnej lokalizacji. W takich sytuacjach sam odbiornik satelitarny przestaje wystarczać. Niezbędna staje się metoda ustalania ruchu i orientacji, działająca niezależnie od ciągłego odbioru sygnału z orbity.

Alternatywą jest nawigacja inercyjna, określana też jako bezwładnościowa. Opiera się ona na czujnikach rejestrujących przyspieszenie oraz obrót urządzenia. Mając znaną pozycję startową i śledząc kolejne zmiany ruchu, komputer pokładowy jest w stanie wyliczyć kierunek przemieszczania się pojazdu oraz jego aktualne położenie.

Główną bolączką takich rozwiązań pozostaje narastanie błędu pomiarowego w czasie. Nawet drobna niedokładność w pomiarze obrotu, utrzymująca się przez dłuższy okres, powoduje coraz większe odchylenie od faktycznej pozycji. Dlatego precyzja żyroskopu ma kluczowe znaczenie, zwłaszcza gdy przez dłuższy czas nie ma możliwości skorygowania odczytów sygnałem satelitarnym.

Zamknęli światło w pierścieniu o średnicy 24 mm

Nowe urządzenie powstało w California Institute of Technology oraz na University of California, Santa Barbara, przy współudziale Air Force Research Laboratory. Zamiast klasycznych elementów mechanicznych zastosowano układ fotoniczny - miniaturowy obwód, w którym nośnikiem informacji jest światło.

Centralnym elementem żyroskopu jest pierścieniowy rezonator optyczny o średnicy ok. 24 mm, zbudowany z falowodów z azotku krzemu - materiału umożliwiającego prowadzenie światła przy minimalnych stratach energii. We wnętrzu pierścienia krążą dwa sygnały laserowe, poruszające się w przeciwnych kierunkach.

Gdy układ pozostaje nieruchomy, oba sygnały zachowują się w taki sam, przewidywalny sposób. W momencie rozpoczęcia obrotu całej konstrukcji zmieniają się jednak warunki propagacji światła biegnącego w przeciwstawnych kierunkach, co skutkuje powstaniem niewielkiej różnicy częstotliwości między wiązkami.

Mechanizm ten opiera się na efekcie Sagnaca, znanym fizyce od ponad stu lat. Efekt ten mówi, że obrót układu wpływa na sposób, w jaki rozchodzi się po zamkniętej drodze światło biegnące w przeciwnych kierunkach. Zmierzenie powstałej różnicy pozwala wyliczyć prędkość obrotową urządzenia, bez konieczności stosowania wirującego koła mechanicznego wewnątrz obudowy. Rolę niezwykle czułego czujnika pełni samo światło, a elektronika jedynie odczytuje zmiany jego parametrów.

Żyroskop wykrywa obrót o 37 stopni na godzinę

Decydujące okazały się testy przeprowadzone w laboratorium. Zespół badawczy umieścił gotowy układ na platformie wykonującej niewielkie, kontrolowane ruchy obrotowe, a rzeczywisty ruch tej platformy był równolegle rejestrowany osobnym urządzeniem optycznym, co umożliwiło zestawienie jego wskazań z odczytami nowego żyroskopu.

Wyniki pokazały, że czujnik jest w stanie wykryć cyklicznie zmieniający się ruch obrotowy o amplitudzie prędkości sięgającej zaledwie 37 stopni na godzinę. Dla porównania - Ziemia wykonuje pełen obrót w ciągu około 24 godzin, co odpowiada prędkości kątowej rzędu 15 stopni na godzinę.

Osiągnięty wynik jest więc bardzo zbliżony do wartości związanej z obrotem naszej planety. Nie znaczy to jednak, że badacze faktycznie zmierzyli tym urządzeniem obrót Ziemi, ani że jego dokładność jest już gotowa na potrzeby lotnictwa. Eksperyment potwierdził natomiast zdolność rejestrowania bardzo powolnego, kontrolowanego ruchu w warunkach laboratoryjnych.

Skala osiągniętego postępu i tak robi wrażenie. Wcześniejsza konstrukcja - żyroskop Brillouina wykonany na podobnej platformie z azotku krzemu - pozwalał wykryć obrót o prędkości 72 tys. stopni na godzinę. Nowy układ uzyskał wynik niemal 2000 razy mniejszy, choć warto zaznaczyć, że porównywane eksperymenty dotyczyły różnych rodzajów ruchu obrotowego.

Badanie opublikowano w czasopiśmie Optics Letters. Autorzy podkreślają, że udało się połączyć wysoką czułość pomiaru z technologią produkcji układów fotonicznych metodami znanymi z przemysłu półprzewodnikowego. To istotny krok w kierunku żyroskopów, które dałoby się wytwarzać na dużo większą skalę.

Światło spotyka dźwięk. To pozwala mierzyć ruch

Za czułość nowego układu odpowiada nie tylko efekt Sagnaca. Naukowcy sięgnęli też po zjawisko Brillouina, polegające na oddziaływaniu światła z drganiami materiału, przez który ono przechodzi.

Kiedy wiązka laserowa porusza się wewnątrz odpowiednio zaprojektowanego falowodu, potrafi wzbudzić w nim bardzo szybkie drgania mechaniczne, a te z kolei oddziałują na właściwości samego światła. Przy odpowiednio dobranych parametrach umożliwia to wytworzenie wyjątkowo stabilnych sygnałów laserowych, których częstotliwości da się precyzyjnie porównywać.

Podobne połączenie światła i dźwięku wykorzystano już wcześniej w eksperymencie z zamrożonym światłowodem, służącym do przechowywania informacji w postaci drgań materiału jako krótkotrwałej pamięci optycznej. W nowym żyroskopie ten sam mechanizm pomaga uzyskać stabilne sygnały potrzebne do pomiaru obrotu.

Istotna jest także jakość samego rezonatora. Współczynnik opisujący zdolność pierścienia do zatrzymywania światła przekracza 163 mln. Dzięki tak niewielkim stratom fotony mogą krążyć w układzie przez blisko 100 nanosekund - to wyjątkowo długo jak na strukturę optyczną o tak małych rozmiarach.

Im dłużej światło pozostaje w rezonatorze, tym łatwiej wychwycić drobne zmiany spowodowane ruchem urządzenia. Zespół zdecydował się też na relatywnie duży - jak na układy fotoniczne - pierścień, ponieważ większa powierzchnia zamykana przez drogę światła zwiększa czułość pomiaru obrotu.

Takie urządzenie mogłoby trafić do samolotów i dronów

Klasyczne żyroskopy optyczne od dawna stosuje się tam, gdzie liczy się bardzo duża precyzja, między innymi w nawigacji lotniczej, ponieważ oferują dokładniejsze pomiary niż standardowe miniaturowe czujniki montowane w sprzęcie codziennego użytku.

Ich główną wadą pozostają jednak przede wszystkim gabaryty, koszt i stopień komplikacji konstrukcji. Tradycyjne rozwiązania optyczne zwykle wymagają długich odcinków światłowodu albo rozbudowanych rezonatorów. Przeniesienie podobnych możliwości na niewielki chip pozwoliłoby znacznie zmniejszyć rozmiar całego urządzenia.

Nowy żyroskop zużywa do pracy zaledwie miliwaty mocy optycznej. Co ważne, sam układ pomiarowy nie posiada żadnych ruchomych elementów, dzięki czemu przyszłe konstrukcje tego typu mogłyby być odporne na wibracje i wstrząsy - a to może okazać się przełomowe przy projektowaniu przyszłych samolotów oraz pojazdów autonomicznych. Takie maszyny potrzebują precyzyjnych danych o własnym ruchu, a jednocześnie muszą funkcjonować w warunkach, gdzie nawigacja satelitarna bywa niedostępna lub zawodna.

To jednak nie oznacza, że nowy chip sam w sobie zastąpi GPS. Żyroskop mierzy wyłącznie obrót, a do wyznaczenia pozycji potrzebne są dodatkowo dane o przyspieszeniu, czasie oraz punkcie startowym. Dlatego konieczne będzie połączenie go z pozostałymi czujnikami w pełny system nawigacji inercyjnej.