陀螺仪是帮助车辆、无人机、可穿戴设备等明确其在三维空间中方向的设备。光学陀螺仪借助“萨格纳克效应”(Sagnac Effect)来获得高精度。该效应以法国物理学家乔治斯·萨格纳克的名字命名,可用于计算方向。
新型光学陀螺仪,资料图
2018年的时候,美国科学家研制出了迄今全球最小的光学陀螺仪,其个头比一粒米还小,仅为目前最尖端光学陀螺仪大小的1/500,未来有望用于无人机和航天器上。
陀螺仪被称为卫星的姿态敏感器,主要负责感知卫星自身的姿态变化情况,再实时传输相应数据,确保卫星能够按照预定的轨迹飞行,并保持姿态的稳定。由于其功能特点,世界航天航空强国都在开展并强化该领域的研究,其中美国、法国等最先开展,且对该项技术实施封锁;相比之下,我国对陀螺仪的研究起步较晚。
在这种新型陀螺仪出现之前,市场上最小的高性能光学陀螺仪比高尔夫球还大,不适合于许多便携式应用。而且,随着光学陀螺仪越来越小,其捕获萨格纳克效应的信号也越来越弱,检测运动变得越来越困难,因而成为光学陀螺仪小型化之路上的“拦路虎”。
现在,加州理工学院电子工程和医学工程系教授阿里·哈吉米瑞领导的科研团队,研制出了一种新的光学陀螺仪,其大小仅为目前同类最先进设备的1/500,但它们能够检测到比这些系统小30倍的相位移动。
新型陀螺仪采用了一种名为“相互灵敏度增强”的新技术来改进性能。“相互”意味着对陀螺仪内两束光的影响一模一样。
由于萨格纳克效应依赖于检测两束光在相反方向上行进时的差异,因此它被认为是非互易的。在这种新型陀螺仪内部,光线从微型光学波导(携带光的小导管,功能与电线相同)中通过,光路中可能影响光束的缺陷(例如热波动或光散射)和任何外部干扰都将对两束光产生相同的影响。团队找到了一种方法来消除这种“相互”噪声,同时保留萨格纳克效应的信号。相互的灵敏度增强改善了系统中的信噪比,并使光学陀螺仪能集成到比一粒米还小的芯片上。
中科院稀土研发中心,资料图
延伸阅读:我国火箭发射背后的稀土材料
稀土是新能源、新材料、航空航天、信息、生物、军工等尖端科技领域和国防建设的重要基础材料。新世纪以来,我国航天航空设备中源自稀土的核心新材料已经从主要依赖进口,转变为越来越多实现了国产化。
在我国一次又一次的成功航天发射背后,采用稀土新材料制备技术的钐钴永磁辐射环功不可没,该设备为这一次次成功提供火箭精确定位、导航服务。钐钴永磁辐射环是一个不太起眼的小部件,但它用在火箭控制平台的陀螺仪上,能够自动控制电机速度,调整火箭方向,确保发射目标准确进入预定轨道。