ساخت کوچک ترین ژیروسکوپ نوری جهان به وسیله ی مهندسان ایرانی
مهندسان ایرانی اخیرا توانسته اند یک ژیروسکوپ نوری با اندازه ای کوچک تر از یک دانه برنج بسازند. همه روزه اختراعات جدید زندگی را برای بشر آسان تر می کنند. اما چگونه؟ اغلب این اختراعات در حداقل یکی از این سه ویژگی مشترک هستند: کوچک تر، سریع تر یا بهتر. این سه ویژگی مواردی هستند که اگر بخواهید مخترع شوید باید همیشه آن ها را در ذهن خود داشته باشید. اختراعی که امروز می خواهیم به شما معرفی کنیم هم بهتر از نمونه های مشابه موجود کار می کند و هم بسیار بسیار کوچک تر از آن هاست. بعید نیست در آینده این قبیل ابزارها را در خودروی بدون سرنشین خود نیز داشته باشید. پس آشنایی اولیه با آن ها مهم به نظر می رسد. اگر کنجکاو شدید که بیشتر درباره ی این ژیروسکوپ نوری جدید بدانید در ادامه ی مطلب با ما همراه باشید.
ژیروسکوپ نوری جدید که حتی در نوک انگشت شما نیز جای می گیرد احتمالا در آینده برای کمک به مسیریابی در هواپیماهای بدون سرنشین و فضاپیماها مورد استفاده قرار خواهد گرفت. این ژیروسکوپ نوری ، 500 برابر از ژیروسکوپ های فوق مدرن کنونی کوچک تر است.
ژیروسکوپ ها ابزارهایی هستند که به منظور تشخیص موقعیت فضایی در وسایل نقلیه، هواپیماهای بدون سرنشین، مچ بندهای هوشمند و موبایل ها کار گذاشته می شوند. ژیروسکوپ ها تقریبا در هر فناوری که همه روزه از آن ها استفاده می کنیم یافت می شوند.
ژیروسکوپ های اولیه چرخ های دواری بودند که می توانستند حول محورهای مختلف بچرخند. اما اگر هم اکنون تلفن همراه خود را باز کنید با نوع امروزی تر آن مواجه می شوید. ژیروسکوپ های امروزی سنسورهای ریز الکترومکانیکی هستند. این ژیروسکوپ ها می توانند تغییرات نیروی وارده بر دو جسم یکسان را که در حال نوسان و حرکت در جهت مخالف هم هستند اندازه گیری کنند. ژیروسکوپ های الکترومکانیکی به قدر کافی حساس نیستند، در نتیجه نوع پیشرفته تری از ژیروسکوپ ها با نام ژیروسکوپ های نوری ساخته شدند.
ژیروسکوپ های نوری همان کار ژیروسکوپ های الکترومکانیکی را انجام می دهند، با این تفاوت که بخش متحرکی در آن ها وجود ندارد و به دلیل بهره گرفتن از پدیده ای به نام «اثر سایناک» از دقت بیشتری هم برخوردارند.
«اثر سایناک» چیست؟
«اثر سایناک» که به افتخار فیزیک دان فرانسوی، جرج سایناک، نام گذازی شده است، یک پدیده ی نوری می باشد که ریشه در نظریه ی نسبیت عام انیشتین دارد. در این پدیده یک پرتو نور به دو پرتو شکسته می شود و سپس آن دو پرتو در یک مدار بسته در دو جهت مختلف طی مسیر می کنند و در نهایت در یک آشکارساز واحد به هم می رسند. نور با سرعت ثابتی حرکت می کند، بنابراین چرخیدن دستگاه و چرخیدن مسیری که نور باید طی کند منجر به این می شود که یکی از دو پرتوی نور زودتر به آشکارساز برسد. اگر در جهت هر محور یک حلقه با ساختار فوق موجود باشد این تغییر فاز که با نام «اثر سایناک» شناخته می شود می تواند برای تعیین جهت مورد استفاده قرار بگیرد.
مشکل چه بود؟
اندازه ی کوچک ترین ژیروسکوپ نوری با کارایی بالا که تا کنون ساخته شده، از یک توپ گلف بیشتر است و بنابراین برای استفاده در بسیاری از ابزارهای قابل حمل مناسب نیست. هرچه ژیروسکوپ نوری کوچک تر ساخته شود سیگنال آن ضعیف تر می شود، در نتیجه تشخیص حرکت هم برای آن سخت تر است. تا کنون، این مشکل اجازه نمی داده است که ژیروسکوپ های نوری با اندازه های کوچکتر ساخته شوند.
راه حلی که ژیروسکوپ نوری جدید ارائه می دهد چیست؟
مهندسان انستیتوی فناوری های کالیفرنیا به سرپرستی علی حاجی میری، استاد مهندسی برق و مهندسی پزشکی دانشکده ی مهندسی و علوم کاربردی، یک ژیروسکوپ نوری جدید ساخته اند که از نمونه های فوق مدرن مشابه خود 500 برابر کوچک تر است. این ژیروسکوپ نوری می تواند تغییر فازهایی را که 30 برابر کوچک تر از تغییر فازهای سیستم های مشابه هستند تشخیص دهد. مشخصات این ژیروسکوپ اولین بار در نوامبر سال گذشته ی میلادی در مجله ی Nature Photonics ذکر شده بود.
ژیروسکوپ نوری جدید چگونه کار می کند؟
ژیروسکوپ نوری جدید مهندس حاجی میری کارایی عالی خود را مدیون تکنیک جدیدی به نام «افزایش حساسیت دو جانبه» است. در این جا «دو جانبه» به معنای تحت تاثیر قرار گرفتن هر دو پرتوی نور موجود در ژیروسکوپ است. اساس اثر سایناک تشخیص تمایز بین دو پرتو که در جهت مخالف یکدیگر در حرکتند می باشد، به همین دلیل این پدیده غیردوجانبه در نظر گرفته می شود. در درون ژیروسکوپ، نور از طریق فیبرهای نوری بسیار ریز جا به جا می شود.(این فیبرها لوله های ریزی هستند که نور را هدایت می کنند، درست مانند سیم که الکتریسیته را هدایت می کند) البته نقص های موجود در این مسیر نوری (مانند نوسانات دمایی یا پراش نور) ممکن است پرتوها را تحت تاثیر قرار دهند. هم چنین هرگونه عامل مداخله گر خارجی دیگر هر دو پرتو را تحت تاثیر قرار خواهد داد.
تیم مهندس حاجی میری راهی یافته اند تا به کمک آن بتوانند با حفاظت از سیگنال ها در برابر اثر سایناک نویز دوجانبه را حذف کنند. بنابراین تکنیک افزایش حساسیت دو جانبه نسبت سیگنال به نویز سیستم را افزایش می دهد و این امکان را فراهم می کند تا بتوان یک ژیروسکوپ نوری را در تراشه ای کوچک تر از یک دانه ی برنج جا داد.
اگر علاقه مند شدید بیشتر بدانید…
مقاله ی این کار تحت عنوان «ژیروسکوپ نوری نانوفوتونیک همراه با افزایش دوجانبه ی حساسیت» منتشر شده است. پرهام خیال، فارغ التحصیل انستیتوی فناوری های کالیفرنیا، نویسنده ی اول و الکساندر وایت، دانشجوی این انستیتو، نویسنده ی همکار این مقاله بوده اند. بودجه ی این پروژه نیز به وسیله ی بنیاد نوآوری های روتنبرگ تامین شده است.
امیدوارم شما خواننده ی محترم مجله ی اینترنتی پروماگ از مطلب امروز استفاده کرده باشید. پیشرو و خلاق باشید.
