सबसे छोटा ऑप्टिकल जाइरोस्कोप

इंजीनियरों ने दुनिया का सबसे नन्हा प्रकाश-संवेदी गायरोस्कोप बनाया है जिसे आसानी से सबसे छोटी पोर्टेबल आधुनिक तकनीक में एकीकृत किया जा सकता है।

आज के समय में हम जिन तकनीकों का उपयोग करते हैं, उनमें से प्रत्येक में जाइरोस्कोप आम है। वाहनों, ड्रोन और मोबाइल व वियरेबल जैसे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में जाइरोस्कोप का उपयोग किया जाता है, क्योंकि ये त्रि-आयामी (3D) अंतरिक्ष में किसी उपकरण की सही स्थिति का पता लगाने में मदद करते हैं। मूल रूप से, जाइरोस्कोप एक पहिया जैसा उपकरण होता है जो पहिये को एक अक्ष पर विभिन्न दिशाओं में तेजी से घूमने में मदद करता है। एक मानक ऑप्टिकल जाइरोस्कोप में एक स्पूल वाली ऑप्टिकल फाइबर होती है जिसमें पल्स लेजर प्रकाश प्रवाहित होता है। यह प्रकाश दक्षिणावर्त या वामावर्त दिशा में चलता है। इसके विपरीत, आधुनिक जाइरोस्कोप सेंसर होते हैं, उदाहरण के लिए मोबाइल फोन में माइक्रोइलेक्ट्रोमैकेनिकल सेंसर (MEMS) मौजूद होते हैं। ये सेंसर समान द्रव्यमान वाली दो वस्तुओं पर लगने वाले बलों को मापते हैं जो दो अलग-अलग दिशाओं में गति कर रही होती हैं।

Sagnac प्रभाव

हालांकि अब सेंसरों का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, लेकिन उनकी संवेदनशीलता सीमित है, इसलिए ऑप्टिकल जाइरोस्कोप की आवश्यकता होती है। एक महत्वपूर्ण अंतर यह है कि ऑप्टिकल जाइरोस्कोप समान कार्य को बिना किसी गतिशील भाग के और अधिक सटीकता के साथ करने में सक्षम हैं। यह सैग्नैक प्रभाव द्वारा संभव है, जो एक प्रकाशीय घटना है और कोणीय वेग में परिवर्तन का पता लगाने के लिए आइंस्टीन के सामान्य सापेक्षता सिद्धांत का उपयोग करती है। सैग्नैक प्रभाव के दौरान, लेजर प्रकाश की एक किरण दो स्वतंत्र किरणों में विभाजित हो जाती है, जो अब एक वृत्ताकार पथ पर विपरीत दिशाओं में यात्रा करती हैं और अंततः एक प्रकाश डिटेक्टर पर मिलती हैं। ऐसा केवल तभी होता है जब उपकरण स्थिर हो, मुख्य रूप से इसलिए क्योंकि प्रकाश स्थिर गति से यात्रा करता है। हालांकि, यदि उपकरण घूम रहा है, तो प्रकाश का पथ भी घूम जाता है, जिससे दो अलग-अलग किरणें प्रकाश डिटेक्टर पर अलग-अलग समय पर पहुंचती हैं। इस चरण अंतर को सैग्नैक प्रभाव कहा जाता है और इस सिंक्रनाइज़ेशन अंतर को जाइरोस्कोप द्वारा मापा जाता है और इसका उपयोग अभिविन्यास की गणना के लिए किया जाता है।

Sagnac प्रभाव सिग्नल में शोर के प्रति बहुत संवेदनशील होता है और आसपास का कोई भी शोर जैसे छोटे थर्मल उतार-चढ़ाव या कंपन यात्रा के दौरान बीम को बाधित कर सकते हैं। और अगर जाइरोस्कोप काफी छोटे आकार का है तो इसमें व्यवधान की संभावना अधिक होती है। ऑप्टिकल जाइरोस्कोप स्पष्ट रूप से बहुत अधिक प्रभावी हैं, लेकिन ऑप्टिकल गायरोस्कोप को कम करना यानी उनके आकार को कम करना अभी भी एक चुनौती है, क्योंकि जैसे-जैसे वे छोटे होते जाते हैं उनके सेंसर से प्रेषित सिग्नल भी कमजोर होता है और फिर शोर में खो जाता है जो सभी बिखरे हुए द्वारा उत्पन्न होता है। रोशनी। इससे जाइरोस्कोप को गति का पता लगाने में अधिक कठिनाई होती है। इस परिदृश्य ने छोटे ऑप्टिकल गायरोस्कोप के डिजाइन को प्रतिबंधित कर दिया है। अच्छा प्रदर्शन करने वाला सबसे छोटा जाइरोस्कोप कम से कम गोल्फ बॉल के आकार का होता है और इस प्रकार छोटे पोर्टेबल उपकरणों के लिए अनुपयुक्त होता है।

छोटे जाइरोस्कोप के लिए नया डिज़ाइन

अमेरिका के कैलिफोर्निया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं ने बहुत कम शोर वाला एक ऑप्टिकल जाइरोस्कोप डिज़ाइन किया है जो MEMS सेंसर के बजाय लेजर का उपयोग करता है और समान परिणाम देता है। उनका अध्ययन नेचर फोटोनिक्स में प्रकाशित हुआ है । उन्होंने एक छोटी 2 वर्ग मिलीमीटर की सिलिकॉन चिप ली और उस पर प्रकाश को निर्देशित करने के लिए एक चैनल स्थापित किया। यह चैनल प्रकाश को एक वृत्त के चारों ओर हर दिशा में यात्रा करने में मदद करता है। इंजीनियरों ने दो डिस्क का उपयोग करके लेजर बीम के पथ को लंबा करके पारस्परिक शोर को समाप्त कर दिया। जैसे-जैसे बीम का पथ लंबा होता जाता है, शोर की मात्रा संतुलित हो जाती है, जिसके परिणामस्वरूप दो बीमों के मिलने पर सटीक माप प्राप्त होता है। इससे छोटे उपकरण का उपयोग संभव हो पाता है, फिर भी सटीक परिणाम प्राप्त होते हैं। यह उपकरण शोर को कम करने में सहायता के लिए प्रकाश की दिशा को भी उलट देता है। इस अभिनव जाइरो सेंसर का नाम XV-35000CB है। बेहतर प्रदर्शन 'पारस्परिक संवेदनशीलता वृद्धि' विधि द्वारा प्राप्त किया गया था। पारस्परिक का अर्थ है कि यह प्रकाश की दो स्वतंत्र किरणों को समान रूप से प्रभावित कर रहा है। सैग्नाक प्रभाव दो प्रकाश किरणों के बीच होने वाले परिवर्तन का पता लगाने पर आधारित है, जो विपरीत दिशाओं में यात्रा कर रही होती हैं और यह परिवर्तन पारस्परिक नहीं होता है। प्रकाश सूक्ष्म ऑप्टिकल तरंगमार्गों से होकर गुजरता है, जो छोटे मार्ग होते हैं और प्रकाश को एक विद्युत परिपथ में तारों की तरह ले जाते हैं। प्रकाश पथ में किसी भी प्रकार की खामी या बाहरी हस्तक्षेप दोनों प्रकाश किरणों को प्रभावित करेगा।

पारस्परिक संवेदनशीलता में वृद्धि सिग्नल-टू-शोर अनुपात में सुधार करती है जिससे इस ऑप्टिकल जाइरोस्कोप को एक छोटी चिप पर एकीकृत किया जा सकता है जो शायद एक नाखून की नोक के आकार का हो। यह छोटा जाइरोस्कोप मौजूदा उपकरणों की तुलना में आकार में कम से कम 500 गुना छोटा है, लेकिन वर्तमान प्रणालियों की तुलना में 30 गुना छोटे चरण बदलाव का सफलतापूर्वक पता लगा सकता है। कैमरे के कंपन को ठीक करने के लिए इस सेंसर का मुख्य रूप से सिस्टम में उपयोग किया जा सकता है। जाइरोस्कोप अब विभिन्न क्षेत्रों में अपरिहार्य हैं और वर्तमान शोध से पता चलता है कि छोटे ऑप्टिकल गायरोस्कोप को डिजाइन करना संभव है, हालांकि इस प्रयोगशाला डिजाइन को व्यावसायिक रूप से उपलब्ध होने में कुछ समय लग सकता है।

***

स्रोत (रों)

खियाल पीपी एट अल 2018. पारस्परिक संवेदनशीलता वृद्धि के साथ नैनोफोटोनिक ऑप्टिकल जाइरोस्कोप। नेचर फोटोनिक्स । 12(11)। https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5

***