Os engenheiros construíram o menor giroscópio com sensor de luz do mundo, que poderia ser facilmente integrado à menor tecnologia portátil moderna.
Giroscópios são comuns em todas as tecnologias que usamos nos tempos de hoje. Os giroscópios são usados em veículos, drones e dispositivos eletrônicos como celulares e vestíveis, pois ajudam a saber a orientação correta de um dispositivo no espaço tridimensional (3D). Originalmente, um giroscópio é um dispositivo de uma roda que ajuda a roda a girar rapidamente em um eixo em diferentes direções. Um padrão ótico O giroscópio contém uma fibra óptica em carretel que transporta uma luz de laser pulsada. Isso funciona no sentido horário ou anti-horário. Em contraste, os giroscópios modernos são sensores, por exemplo, em telefones celulares, há sensores microeletromecânicos (MEMS) presentes. Esses sensores medem forças que agem sobre duas entidades de massa idêntica, mas que oscilam em duas direções diferentes.
O efeito Sagnac
Os sensores, embora agora amplamente utilizados, têm sensibilidade limitada e, portanto, giroscópios ópticos são precisos. Uma diferença crucial é que os giroscópios ópticos são capazes de realizar uma tarefa semelhante, mas sem nenhuma peça móvel e com mais precisão. Isso é possível pelo efeito Sagnac, um fenômeno óptico que usa a teoria da relatividade geral de Einstein para detectar mudanças na velocidade angular. Durante o efeito Sagnac, um feixe de luz laser é dividido em dois feixes independentes que agora viajam em direções opostas ao longo de um caminho arredondado, eventualmente encontrando-se em um detector de luz. Isso acontece apenas se o dispositivo for estático e principalmente porque a luz viaja a uma velocidade constante. No entanto, se o dispositivo estiver girando, o caminho da luz também será girado, fazendo com que os dois feixes separados atinjam o detector de luz em um ponto de tempo diferente. Essa mudança de fase é chamada de efeito Sagnac e essa diferença na sincronização é medida pelo giroscópio e usada para calcular a orientação.
O efeito Sagnac é muito sensível a ruídos no sinal e qualquer ruído circundante, como pequenas flutuações térmicas ou vibrações, pode interromper os feixes durante sua trajetória. E se o giroscópio for de tamanho consideravelmente menor, ele está mais sujeito a interrupções. Os giroscópios ópticos são obviamente muito mais eficazes, mas ainda é um desafio reduzir os giroscópios ópticos, ou seja, reduzir seu tamanho, porque à medida que se tornam menores, o sinal transmitido por seus sensores também enfraquece e se perde no ruído gerado por todos os luz. Isso faz com que o giroscópio tenha mais dificuldade em detectar movimento. Este cenário restringiu o projeto de giroscópios ópticos menores. O menor giroscópio com bom desempenho é pelo menos do tamanho de uma bola de golfe e, portanto, inadequado para pequenos dispositivos portáteis.
Novo design para um pequeno giroscópio
Pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia, EUA, projetaram um giroscópio óptico com ruído muito baixo que usa laser em vez de sensores MEMS e obtém resultados equivalentes. Seu estudo foi publicado em Nature Photonics. Eles pegaram um minúsculo chip de silício de 2 mm quadrados e instalaram um canal nele para guiar a luz. Este canal ajuda a guiar a luz para viajar em todas as direções ao redor de um círculo. Os engenheiros eliminaram o ruído recíproco alongando o caminho dos feixes de laser usando dois discos. Conforme o caminho do feixe se torna mais longo, a quantidade de ruído é nivelada, resultando em uma medição precisa quando os dois feixes se encontram. Isso permite o uso de dispositivos menores, mas ainda mantendo resultados precisos. O dispositivo também inverte a direção da luz para auxiliar no cancelamento de ruído. Este inovador sensor giroscópio é denominado XV-35000CB. O desempenho aprimorado foi alcançado pelo método de 'aumento da sensibilidade recíproca'. Recíproco significa que está afetando dois feixes de luz independentes da mesma maneira. O efeito Sagnac é baseado na detecção de mudança entre esses dois feixes, pois eles estão viajando em direções opostas e isso equivale a ser não recíproco. A luz viaja através de mini guias de ondas ópticas, que são pequenos conduítes que conduzem a luz, semelhantes a fios em um circuito elétrico. Quaisquer imperfeições no caminho óptico ou interferência externa afetarão ambos os feixes.
O aprimoramento da sensibilidade recíproca melhora a relação sinal-ruído, permitindo que este giroscópio óptico seja integrado a um minúsculo chip, talvez do tamanho da ponta de uma unha. Este minúsculo giroscópio é pelo menos 500 vezes menor em tamanho do que os dispositivos existentes, mas pode detectar com êxito mudanças de fase 30 vezes menores do que os sistemas atuais. Este sensor pode ser usado principalmente em sistemas para corrigir vibrações de uma câmera. Os giroscópios são agora indispensáveis em diferentes campos e pesquisas atuais mostram que giroscópios ópticos menores são possíveis de projetar, embora possa levar algum tempo para que este projeto de laboratório esteja comercialmente disponível.
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{Você pode ler o artigo de pesquisa original clicando no link DOI fornecido abaixo na lista de fontes citadas}
Fontes)
Khial PP et al 2018. Giroscópio óptico nanofotônico com aumento de sensibilidade recíproca. Nature Photonics. 12 (11). https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5
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