從高爾夫球到米粒大小,世界最小光纖陀螺儀或將被應用於行動裝置

2020-11-26 36kr

《自然》雜誌近日刊發來自加利福尼亞理工學院（California Institute of Technology）的研究人員在光纖陀螺儀領域的最新進展。如下圖所示，該陀螺儀體積與米粒相仿，是當前體積最小的光纖陀螺儀的1/500。

從航海時代演變而來的陀螺儀如今被用在汽車、無人機、便攜設備以及可穿戴設備中，在三維空間指引方向，已成為必不可少的一部分。


和航海時代的慣性自旋陀螺儀不同，現代陀螺儀已根據運行原理演化為多種品類，包括雷射陀螺儀、光纖陀螺儀，以及微機電陀螺儀（MEMS）。

本文討論的光纖陀螺儀運用光的幹涉原理進行定向，其功能實現基於光通過光纖線圈形成的幹涉。

兩束雷射從同一光纖的兩端同時射入光纖中。由於光的速度是固定的，在存在轉動的情況下，其中一束光的光程會比另一束光的光程略短，使兩束光間存在相位差，該相位差可以通過幹涉儀測得，即塞格尼克效應。這樣，角速度的分量就可被轉換成通過光電探測器測得的幹涉模式的變化。

由於需要保證光纖線圈的長度，目前體積最小的光纖陀螺儀也足有高爾夫球大小，限制了其被應用在行動裝置中的可能。此次研究的突破在於，製造出了體積僅為米粒大小的光纖陀螺儀，是此前最小光纖陀螺儀體積的1/500。值得一提的是，體積的減小的同時精度也有所提升，該設備可探測的相位差精度為此前的1/30。

在此前的技術方案中，由於光從光纖的兩端分別射入，受到光纖不同部分質量、熱脹冷縮等因素的影響，信號存在幹擾。此次研究人員創新性地採用了一種被稱為相互敏感度增強（reciprocal sensitivity enhancement）的技術，降低光纖內的信噪比，進而縮短光纖長度，減小設備體積。

由於光纖陀螺儀比當前手機等行動裝置中所使用的微機電陀螺儀（MEMS）更加精確，因此該項研究將有助於提高行動裝置三維定向的準確度。

參考論文：https://authors.library.caltech.edu/88626/3/41566_2018_266_MOESM1_ESM.pdf

 


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