دانشمند ایرانی کوچک‌ترین ژیروسکوپ نوری دنیا را طراحی کرد.

 

مجله علمی ایلیاد - ژیروسکوپی نوری در ابعادی کوچک‌تر از دانه‌ی برنج، توسط مهندسین ساخته شد. این ژیروسکوپ نوری کوچک جدید، در نوک انگشتان شما جای می‌گیرد، ولی می‌تواند در آینده در پهپادها و فضاپیماها مورد استفاده قرار گیرد.

ژیروسکوپ‌ها دستگاه‌هایی هستند که به وسایل حمل و نقل، پهپادها و وسایل الکترونیکی پوشیدنی و قابل حمل کمک می‌کنند تا موقعیت خود را در فضای سه‌بُعدی تشخیص دهند. این دستگاه‌ها در همه‌ی تکنولوژی‌هایی که ما روزانه بر آن‌ها تکیه می‌کنیم، به کار می‌روند. به طور کل، ژیروسکوپ مجموعه‌ای از چرخ‌های تودرتو است که هر کدام در جهت‌های متفاوتی در حال چرخش هستند. با باز کردن موبایل‌های امروزی می‌توانید حسگرهای میکروالکترومکانیکی «MEMS» را ‌بینید که معادل مدرن‌شده‌ی همان ژیروسکوپ هستند و در آن‌ها تغییرات نیروهای وارده بر دو جرم مشخصِ نوسان‌کننده و متحرک مختلف‌الجهت، اندازه‌گیری می‌شود. این ژیروسکوپ‌های MEMS به خاطر حساسیت‌شان محدودیت‌هایی دارند و به همین دلیل، ژیروسکوپ‌های نوری با استفاده از پدیده‌ای به نام «اثر ساگناک» بدون داشتن قطعات متحرک برای انجام دادن همان عملکرد، ولی با دقت بالاتر، توسعه داده شده‌اند.

این اثر به خاطر فیزیکدان فرانسوی، «جورجز ساگناک» به این اسم نامیده می‌شود. این اثر پدیده‌ای نوری است که ریشه در نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین دارد. برای ساختن این اثر، پرتویی از نور به دو قسمت تقسیم می‌شود و این دو قسمت در جهت‌های معکوس یکدیگر، در مسیری دایره‌ای حرکت می‌کنند و در یک آشکارساز به یکدیگر می‌رسند. نور با سرعت ثابت حرکت می‌کند؛ بنابراین چرخاندن دستگاه و به دنبال آن چرخاندن مسیر حرکت نور، باعث می‌شود یکی از پرتوها زودتر به آشکارساز برسد. با وجود یک حلقه بر روی هر محور دوران، این تغییر فازِ به‌وجود آمده را اثر ساگناک می‌نامند که می‌توان از آن برای محاسبه‌ی دوران استفاده کرد.

در حال حاضر، کوچک‌ترین ژیروسکوپ نوری با عملکرد بالا بزرگ‌تر از یک توپ گلف است و برای بسیاری از دستگاه‌های قابل حمل مناسب نیست. هر چقدر ژیروسکوپ‌های نوری کوچک و کوچک‌تر می‌شوند، اثر ساگناک نیز کم و کمتر می‌شود و تشخیص حرکت برای ژیروسکوپ سخت و سخت‌تر می‌شود. از این جهت، با مینیاتوری کردن ژیروسکوپ‌های نوری جلوگیری شده است.

مهندسین دانشگاه کلتک به رهبری «علی حاجی‌میری» پروفسور مهندسی برق و مهندسی پزشکی در بخش مهندسی و علوم کاربردی، ژیروسکوپ نوری ساخته‌اند که ۵۰۰ برابر کوچک‌تر از بهترین دستگاه‌های کنونی است، ولی هنوز هم می‌تواند تغییرات فازی که ۳۰ برابر کوچک‌تر است را تشخیص دهد. این دستگاه جدید، در مقاله‌ای که در مجله‌ی Nature Photonics به چاپ رسیده، شرح داده شده است.

ژیروسکوپ ساخته شده در آزمایشگاه حاجی‌میری، این بهبود عملکرد را با استفاده از روشی به نام «افزایش حساسیت دوجانبه» به‌دست آورده است. در این روش، منظور از دوجانبه این است که هر دو پرتوی نوری درون ژیروسکوپ در یک جهت تحت تاثیر قرار می‌گیرند. از آنجا که اثر سیگناک بر تشخیص تفاوت بین دو پرتو که در جهت‌های متفاوت حرکت می‌کنند تکیه دارد، این اثر را می‌توان غیردوجانبه در نظر گرفت. درون ژیروسکوپ، نور درون کانال‌های نوری مشخصی حرکت می‌کند. نقصان‌هایی که ممکن است در مسیر نوری وجود داشته باشد و بر پرتوها اثر بگذارد و هر گونه مداخله‌ی بیرونی دیگر، هر دو پرتو را به طور یکسان تحت تاثیر قرار می‌دهند.

تیم حاجی‌میری، راهی یافت که بتواند این اختلالات دوجانبه را از بین ببرد؛ ولی سیگنال‌های ایجاد شده از اثر سیگناک را دست نخورده باقی بگذارد. افزایش حساسیت دوجانبه، نسبت سیگنال به نویز را در سیستم بهبود می‌بخشد و یکپارچه‌سازی چرخه‌ی نوری را بر روی یک چیپ کوچک‌تر از دانه‌ی برنج، ممکن می‌سازد.

جزئیات این طرح در مقاله‌ای با عنوان «ژیروسکوپ نوری نانوفوتونیک با افزایش حساسیت دوجانبه» چاپ شده است. «پرهام خیال» سرپرست نویسندگان است و «الکساندر وایت» نویسنده‌ی همکار وی است. این مطالعه، توسط موسسه‌ی ابتکارات نوآورانه‌ی روتنبرگ، پشتیبانی شده است.

 

نوشته: ScienceDaily
مترجم: امید محمدی – مجله علمی ایلیاد