De nieuwste optische gyroscoop meet tien keer nauwkeuriger rotaties en is bovendien vijfhonderd keer kleiner dan andere optische gyroscopen. De enorme verkleining is mogelijk dankzij een ingenieuze techniek waardoor het apparaatje nauwelijks last heeft van verstoringen van buitenaf.
Gyroscopen vind je terug in allerlei alledaagse apparaten, zoals mobiele telefoons en tablets. Ze meten of en hoe je het apparaat draait, zodat het beeld zich daarop kan aanpassen. Daarnaast zitten gyroscopen in navigatiesystemen van vliegtuigen, schepen, en zelfs ruimtevaartuigen. De meest nauwkeurige gyroscopen zijn vaak relatief groot. Onderzoekers van de Amerikaanse universiteit Caltech vonden daarvoor een oplossing.
‘Ik probeer robots te ontwikkelen die ook echt een nieuwe stap maken’
Hoe werkt vliegen? Dat lijkt een simpele vraag, maar voor luchtvaarttechnicus en bioloog David Lentink is het een levenslange zoektocht.
Gyroscopen van licht
Er bestaan mechanische en optische gyroscopen. De meeste mensen denken bij gyroscopen aan mechanische. Die werken actief rotaties tegen en kunnen dus gebruikt worden als stabilisatoren, bijvoorbeeld voor camera’s. Maar omdat deze gyroscopen uit bewegende onderdelen bestaan, raken ze gemakkelijk verstoord en zijn ze niet voor alle toepassingen geschikt.
Optische gyroscopen hebben geen bewegende onderdelen. Ze maken gebruik van licht, wat minder snel verstoord raakt door externe bewegingen. Optische gyroscopen detecteren enkel rotaties en gaan ze niet actief tegen. Ze kunnen daarom alleen als rotatiesensor gebruikt worden. Maar voor veel toepassingen, bijvoorbeeld in navigatiesystemen, is dat ook alles wat ze hoeven te doen: meten en informatie doorgeven. De optische gyroscoop heeft de potentie om tot nanoschaal verkleind te worden. Ter vergelijking: de optische gyroscopen die nu al gebruikt worden, hebben meestal de afmeting van een flinke golfbal.
Rotaties detecteren met Sagnac-effect
Optische gyroscopen maken gebruik van het Sagnac-effect. Dat betekent dat ze een soort interferometer bevatten. Je begint met een laser die een bundel coherent licht uitzendt: licht waarvan de golven allemaal exact gelijk lopen. Hun toppen en dalen lopen allemaal parallel.
Het coherente licht stuur je door een halfdoorlatende spiegel die de helft van het licht de ene kant op stuurt en de andere helft een andere kant op. De lichtbundels reizen vervolgens in tegengestelde richting door een gesloten ring. Als ze deze ring weer verlaten, ontmoeten de twee helften van de lichtbundel elkaar bij een lichtdetector. Zolang je de ring stilhoudt, leggen de bundels allebei dezelfde afstand af door de ring. Als ze bij de detector aankomen interfereren ze. In dit geval betekent dat dat de toppen en dalen van de lichtgolf elkaar versterken.
Stel nu dat je de ring met de klok mee ronddraait. Dan moet de bundel die in dezelfde richting reist een langer afstand afleggen om bij de detector te komen dan de bundel die tegen de klok in draait. Als de bundels elkaar bij de detector ontmoeten, dan ontstaat er een ander interferentiepatroon. Het kan bijvoorbeeld voorkomen dat de ene lichtgolf een top heeft en de andere een dal. Dan doven ze elkaar uit. Uit het interferentiepatroon kan je berekenen hoeveel de ring geroteerd is.
Vervelende verstoringen
In theorie kun je zo’n ring natuurlijk ontzettend klein maken. Maar in de praktijk valt dat tegen. Hoe kleiner de ring, hoe meer last je krijgt van verstoringen. Kleine veranderingen in de temperatuur kunnen er bijvoorbeeld voor zorgen dat het materiaal uitzet en het licht verstoord raakt. Ook elektrische of magnetische velden van apparatuur in de omgeving kunnen het licht verstoren.
Daar hebben de Caltech-onderzoekers iets op gevonden. Verstoring van buitenaf, zoals temperatuurschommelingen of magnetische velden, hebben invloed op de hele ring, zeker als die piepklein is. En beide lichtbundels reizen door die ring heen. Dat betekent dat de bundels op dezelfde manier beïnvloed worden door die verstoringen. Door de veranderingen die voor beide lichtbundels identiek zijn op een slimme manier uit het signaal te halen, verwijder je dus die omgevingsfactoren. Zo houd je enkel de verschillen over die veroorzaakt worden door het verschil in afgelegde afstand.
Met deze techniek kregen de onderzoekers het voor elkaar om een groot deel van de verstoringen uit de metingen te filteren en piepkleine optische gyroscoopjes te maken, van slechts een paar millimeter groot. Ruimtevaartuig- en dronebouwers zullen blij zijn met deze vijfhonderd keer kleinere en tien keer betere rotatiemetertjes.
