Hulkernefibre til præcis placering i rummet

Visionen om biler, der kører eller fly, der flyver selv, kan kun blive sand, hvis elektronikken om bord kan bestemme, hvor de er i rummet, når som helst og med pålidelig præcision. I rumfartssektoren er dette job overgivet til gyroskoper, der måler lys for at kontrollere og stabilisere kursen på et fartøj under flyvning. Men sådanne gyroskoper kan blive påvirket af visse materialeegenskaber eller af elektriske eller magnetiske felter - og konsekvenserne kan være katastrofale. Det er grunden til, at et tysk-polsk konsortium er gået sammen for at udvikle et pålideligt middel til at transmittere lys for at gøre gyroskoper mindre modtagelige for interferens. Deres hemmelighed:Hulkernefibre, der kan kanalisere lys med minimalt tab.

Fiberoptik udgør rygraden i moderne telekommunikation:Små rør, tyndere end et menneskehår, der indeholder en glaskerne, der igen er ti gange tyndere. I den kerne kan lys bevæge sig med stort set intet til at forstyrre det. Efterhånden som materialets brydningsindeks krymper, jo tættere man kommer på det ydre lag, siver lyset ikke gennem de tynde vægge, men hopper i stedet tilbage fra dem, zig-zaggende gennem den indre kerne. Forskerne taler om total intern refleksion, når dette er opnået.

Måleteknologi bruger også de optiske fibres muligheder. De er en elementær del af gyroskoper, det vil sige meget præcise rotationssensorer. Hvis kun én bevægelsesakse er relevant, ville accelerationssensorer være tilstrækkelige, men når et autonomt objekts bevægelse gennem alle tre dimensioner af rummet skal spores, skal målesystemet være mere kompliceret og omfatte tre accelerometre og gyroskoper.

Optiske gyroskoper ved grænsen

Man kan forestille sig et optisk gyroskop, der måler rotation som en tur rundt i verden:Afhængig af kørselsretningen taber man tid eller vinder tid. Et fibergyroskop omfatter en fiber, der er viklet omkring en spole og danner en ringresonator. I den resonator kan lys rejse med eller mod uret.

Når objektet drejer, ændres stien, som lysbølgen passerer, umærkeligt, enten krymper eller udvider sig med en lille margin. Det er denne minutændring, som en detektor kan opfange og bruge til at beregne rotationen.

Men det er her, optiske fibre støder på grænserne for deres muligheder. Magnetiske og elektriske felter kan forstyrre sensorens fortolkningsarbejde, og selve materialet kan interagere med lyset og forårsage en ændring i dets optiske egenskaber. Disse såkaldte ikke-lineære effekter påvirker direkte, hvordan lyset bevæger sig. Interferensen er så minimal, at den ikke udgør noget problem for telekommunikation, men den kan vise sig at være kritisk for at navigere i autonome objekter, da den lille afvigelse fra den forventede retning snart vil betyde en målbar afvigelse fra den valgte kurs.

I deres arbejde for at undgå disse effekter har forskere ved Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration IZM undersøgt banebrydende teknologier og materialer, og de er stødt på en lovende ny kandidat på markedet:hulkernefibre.

Disse er lige så tynde som typiske optiske fibre, men de indeholder luft i stedet for en glaskerne. Lys kan passere gennem det hule rum uden nogen forstyrrelse, hvilket klart reducerer de materielle effekter, der kan ændre dets adfærd. Lys bevæger sig også gennem materialet med 1,5 gange hastigheden af ​​standardfibre, hvilket gør hulkernefibre også til en tiltalende mulighed for datatransmissionsapplikationer. I øjeblikket står deres høje pris stadig i vejen for deres mere udbredte adoption.

Smart sammenkoblingsteknologi til undsætning

For forskerne omkring fotonikeksperterne Wojciech Lewoczko-Adamczyk og Stefan Lenzky var udfordringen at gribe disse fibres modstandsdygtige egenskaber til afbrydelse til konstruktion af meget præcise gyroskoper, men samtidig holde produktionsomkostningerne nede. De skulle finde en sammenkoblingsteknologi, der kunne fungere sammen med den nye fibertype. En stor udfordring var midlerne til at opdele lyssignalet for flere kanaler. Typisk vil individuelle bølgeledere blive koblet ved blot at smelte dem sammen, men dette var umuligt for hulkernefibrene, da deres unikke struktur ville gå tabt, når de udsættes for varme.

For at modvirke denne effekt konstruerede forskerne miniaturekollimatorer:Meget præcise linser, der fanger lyset fra en fiber og udsender det, før der kan ske diffraktion. Når dette afgørende skridt er gået, kan lyset opdeles af halvreflekterende spejle og føres ind i ringresonatoren. Efter en tur rundt i ringen måles den og føres tilbage til fiberen gennem en anden kollimator.

Samlingsplatform for SMV'er

Når lys kobles til to kollimatorer, er ekstrem præcision af essensen:I laboratoriemiljøer kan komponenterne placeres og justeres med præcise positioneringsværktøjer, men det er usandsynligt, at disse er tilgængelige i industrielle produktionssteder. Det betyder, at små og mellemstore virksomheder hidtil ikke har været i stand til at tilbyde denne proces. Det er grunden til, at det tysk-polske konsortium udvikler en passiv koblingsplatform, der gør det muligt at integrere teknologien i individuelle applikationer. Dens layout tillader den præcise tilpasning af de færdige kollimatorer, hvilket fjerner behovet for yderligere justering.

Selv med projektet, der stadig er planlagt til at løbe til slutningen af ​​året, har forskerne allerede gjort betydelige fremskridt:Kollimatorer er stadig nødvendige for at bøje bjælkerne, de optiske komponenter produceret af Fraunhofer IZM udkonkurrerer allerede nuværende løsninger på markedet med tidoblet præcision, ved en maksimal brydningsvinkel på 0,04 grader. Det betyder, at kollimatorpar kan bruges til den passive koblingsplatform uden at kræve yderligere justering, samtidig med at der opnås en koblingseffektivitet på mere end 85 procent. Missionen for projektets tredje og sidste år er at teste, hvor pålidelig platformen vil være, tilføje flere optiske og mekaniske komponenter og passe alt i et gyroskop. Når først rotationssensoren er blevet konstrueret, er alt klar til at teste teknologien under virkelige forhold.

Kollimatormontageplatformen kan gøre optiske gyroskoper til fly og satellitter mere modstandsdygtige over for forstyrrelser, men den kan også være en hybrid tilføjelse til integrerede optiske systemer, der f.eks. brug optiske elementer, der kræver fri strålekobling. Spredt lys, der forlader en bølgeleder, kan kollimeres for at reducere tab, når det kommer ind i den næste bølgeleder igen. Den optiske løsning vil også være relevant til behandling af materiale med ultrahøjeffekt lysstråler eller til transmission af infrarødt eller kortbølget UV-lys. Andre lovende anvendelser kan tænkes inden for telekommunikation. + Udforsk yderligere

Ny optisk fiber bringer betydelige forbedringer til lysbaserede gyroskoper