Ny optisk fiber bringer betydelige forbedringer til lysbaserede gyroskoper

Forskere har taget et vigtigt nyt skridt i at fremme ydelsen af ​​resonatorfiberoptiske gyroskoper, en type fiberoptisk sensor, der registrerer rotation ved kun at bruge lys. Fordi gyroskoper er grundlaget for de fleste navigationssystemer, det nye arbejde kan en dag bringe vigtige forbedringer af disse systemer.

"Højtydende gyroskoper bruges til navigation i mange typer luft, jord, marine og rum applikationer, "sagde Glen A. Sanders, der ledede forskergruppen fra Honeywell International. "Selvom vores gyroskop stadig er i de tidlige stadier af udviklingen, Hvis den når sin fulde ydeevne, vil den være en af ​​de næste generation af vejlednings- og navigationsteknologier, der ikke kun skubber grænserne for nøjagtighed, men gør det ved reduceret størrelse og vægt. "

I tidsskriftet The Optical Society (OSA) Optik bogstaver , forskere fra Honeywell og University of Southamptons Optoelectronics Research Center i Storbritannien beskriver, hvordan de brugte en ny type hulkerne til at overvinde flere faktorer, der har begrænset tidligere resonatorfiberoptiske gyroskoper. Dette gav dem mulighed for at forbedre det mest krævende ydelseskrav for gyroskopets stabilitet med så meget som 500 gange i forhold til tidligere udgivet arbejde med hule kernefibre

"Vi håber at se disse gyroskoper brugt i den næste generation af civil luftfart, autonome køretøjer og de mange andre applikationer, hvor navigationssystemer anvendes, "sagde Sanders." Faktisk, efterhånden som vi forbedrer ydelsen af ​​vejledning og navigationssystemer, Vi håber at åbne helt nye muligheder og applikationer. "

Registrerer rotation med lys

Resonator fiberoptiske gyroskoper bruger to lasere, der bevæger sig gennem en spole af optisk fiber i modsatte retninger. Enderne af fiberen er forbundet til en optisk resonator, så det meste af lyset vil recirkulere og tage flere ture rundt om spolen. Når spolen er i ro, lysstrålerne i begge retninger deler den samme resonansfrekvens, men når spolen roterer, resonansfrekvenserne skifter i forhold til hinanden på en måde, der kan bruges til at beregne bevægelsesretningen eller orienteringen for det køretøj eller den enhed, som gyroskopet er monteret på.

Honeywell har udviklet resonator fiberoptisk gyroskopteknologi i nogen tid på grund af dets potentiale til at levere navigation med høj nøjagtighed i en enhed i mindre størrelse sammenlignet med nuværende sensorer. Imidlertid, det har været udfordrende at identificere en optisk fiber, der kan modstå de selv beskedne lasereffektniveauer ved de ultrafine laserlinjebredder, der kræves af disse gyroskoper uden at forårsage ikke-lineære effekter, der forringer sensorens ydeevne.

"I 2006, vi foreslog at bruge en hul kerne fiber til resonator fiberoptisk gyroskop, "sagde Sanders." Fordi disse fibre begrænser lyset i et centralt luft- eller gasfyldt hulrum, sensorer baseret på dem lider ikke af de ikke -lineære effekter, der plager sensorer baseret på faste fibre. "

Brug af en endnu bedre fiber

I det nye værk, ledet af Austin Taranta ved University of Southampton, forskerne ønskede at se, om en helt ny type hulkerne kunne bringe endnu flere forbedringer. Kendt som nodeless antiresonant fiber (NANF), denne nye klasse af fibre udviser endnu lavere niveauer af ikke -lineære effekter end andre hule kernefibre.

NANF'er har også lav optisk dæmpning, hvilket forbedrer resonatorens kvalitet, fordi lyset bevarer sin intensitet over længere formeringslængder gennem fiberen. Faktisk, disse fibre har vist sig at have det laveste lystab af en hvilken som helst hulkerne, og for mange dele af spektret, det laveste tab af enhver optisk fiber.

Til resonator fiberoptiske gyroskoper, det er afgørende, at lyset kun bevæger sig på en enkelt vej gennem fiberen. NANF'erne hjælper med at gøre dette muligt ved at eliminere optiske fejl forårsaget af tilbagespredning, polarisationskobling og modal urenheder, som alle er potentielle fejlkilder eller ekstra støj i gyroskopet. Deres eliminering fjerner de væsentligste ydelsesbegrænsere for andre fiberteknologier.

"Selvom rygraden i denne sensor er den nye type optisk fiber, vi arbejdede også på at reducere støj kraftigt, når vi registrerede resonansfrekvensen med en hidtil uset nøjagtighed, "sagde Sanders." Dette var afgørende for at forbedre ydeevnen og bevæge sig mod miniaturisering af sensoren. "

Opnå stabilitet på lang sigt

Honeywell -forskerne udførte laboratorieundersøgelser for at karakterisere ydelsen af ​​den nye fiberoptiske gyroskopsensor under stabile rotationsforhold, dvs. kun i nærvær af Jordens rotation. Dette fastslår instrumentets "bias -stabilitet". For at eliminere støj og forstyrrelser i den optiske opsætning i ledig plads, gyroskopet blev monteret på en stald, statisk mole. Ved at inkorporere NANF'erne, forskerne var i stand til at demonstrere en langsigtet bias-stabilitet på 0,05 grader i timen, som er tæt på de niveauer, der kræves til civil luftfartsnavigation.

"Ved at demonstrere den høje ydeevne af NANF'er i denne ekstremt krævende applikation, vi håber at vise det ekstraordinære løfte om disse fibre til brug i andre præcisionsvidenskabelige resonanshulrum, "sagde Taranta. Forskerne arbejder nu på at lave et prototype gyroskop med en mere kompakt og stabil konfiguration. De planlægger også at inkorporere den nyeste generation af NANF'er, som udviser en fire gange forbedring i optiske tab, sammen med stærkt forbedret modalitet og polarisationsrenhed.