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工程师们制造出比一粒米小的光学陀螺仪

新的光学陀螺仪 - 这里显示的米粒 - 比现有的最先进设备小500倍。

陀螺仪是帮助车辆,无人机,可穿戴设备和手持式电子设备了解其在三维空间中的方向的设备。它们在我们每天依赖的几乎所有技术中都很常见。最初,陀螺仪是一组嵌套轮子,每个轮子在不同的轴上旋转。但是今天打开一部手机,你会发现一种微电子机械传感器(MEMS),即现代的等效传感器,可以测量作用在两个相同质量上的力的变化,这两个质量在相反的方向上振荡和运动。这些MEMS陀螺仪的灵敏度受到限制,因此光学陀螺仪已被开发用于执行相同的功能,但没有移动部件,并且使用称为Sagnac效应的现象具有更高的精度。

什么是Sagnac效应?

Sagnac效应以法国物理学家Georges Sagnac的名字命名,是一种植根于爱因斯坦广义相对论的光学现象。为了创建它,光束被分成两束,并且双光束沿着圆形路径在相反的方向上行进,然后在相同的光检测器处相遇。光以恒定的速度传播,因此旋转设备 - 以及光传播的路径 - 使两个光束中的一个光束在另一个光束之前到达检测器。在每个定向轴上有一个环,这种相移称为Sagnac效应,可用于计算方向。

问题

目前市场上最小的高性能光学陀螺仪比高尔夫球大,不适合许多便携式应用。随着光学陀螺仪越来越小,捕获Sagnac效应的信号也越来越小,这使得陀螺仪检测运动越来越困难。到目前为止,这阻止了光学陀螺仪的小型化。

本发明

由工程和应用科学部电气工程和医学工程Bren教授Ali Hajimiri领导的Caltech工程师开发出一种新型光学陀螺仪,它比目前最先进的设备小500倍,但他们可以检测到相移比这些系统小30倍。新设备在11月出版的Nature Photonics上发表的论文中有所描述。

这个怎么运作

来自Hajimiri实验室的新型陀螺仪采用了一种称为“相互灵敏度增强”的新技术,从而实现了这种改进的性能。在这种情况下,“倒数”意味着它以相同的方式影响陀螺仪内的两个光束。由于Sagnac效应依赖于检测两个光束在相反方向上行进时的差异,因此它被认为是非互易的。在陀螺仪内部,光线通过微型光学波导(携带光的小导管,执行与电线相同的功能)。光路中可能影响光束的缺陷(例如,热波动或光散射)和任何外部干扰将同样影响两个光束。

Hajimiri的团队找到了一种方法来消除这种倒数噪声,同时保留Sagnac效应的信号。相互的灵敏度增强因此改善了系统中的信噪比,并使光学陀螺仪能够集成到小于一粒米的芯片上。

细节

该论文的标题是“具有相互灵敏度增强的纳米光子陀螺仪”。研究生Parham Khial是第一作者,本科学生Alexander White是合着者。该研究由Rothenberg Innovation Initiative资助。

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