Влакна с куха сърцевина за прецизно позициониране в пространството


от Georg WeigeltGeorg Weigelt, Институт Fraunhofer за надеждност и микроинтеграция IZM

Влакна с куха сърцевина за прецизно позициониране в пространството

Използването на влакна с куха сърцевина прави оптичните жироскопи по-малко податливи на външни смущаващи фактори. Кредит: Fraunhofer IZM

Визията за автомобили, които се движат, или самолети, които сами летят, може да стане истина само ако електрониката на борда може да определи къде се намират в космоса, по всяко време и с надеждна точност. В авиокосмическия сектор тази работа е възложена на жироскопи, които измерват светлината, за да проверят и стабилизират курса на кораб в полет. Но такива жироскопи могат да бъдат повлияни от определени свойства на материала или от електрически или магнитни полета – и последствията могат да бъдат катастрофални. Ето защо германо-полски консорциум се събра, за да разработи надеждно средство за предаване на светлина, за да направи жироскопите по-малко податливи на смущения. Тяхната тайна: влакна с куха сърцевина, които могат да канализират светлина с минимални загуби.

Фиброоптиката формира гръбнака на съвременните телекомуникации: малки тръби, по-тънки от човешки косъм, които съдържат стъклена сърцевина, която отново е десет пъти по-тънка. В това ядро ​​светлината може да се движи без почти нищо, което да я наруши. Тъй като индексът на пречупване на материала се свива, колкото повече се приближава до външния слой, светлината не се просмуква през тънките стени, а вместо това отскача обратно от тях, преминавайки на зигзаг през вътрешното ядро. Учените говорят за пълно вътрешно отражение, след като това бъде постигнато.

Технологията за измерване също използва възможностите на оптичните влакна. Те са елементарна част от жироскопите, тоест високопрецизни сензори за въртене. Ако е уместна само една ос на движение, сензорите за ускорение биха били достатъчни, но когато трябва да се проследи движението на автономен обект през всичките три измерения на пространството, системата за измерване трябва да бъде по-сложна и да включва три акселерометъра и жироскопи.

Оптичните жироскопи на границата

Човек може да си представи оптичен жироскоп, измерващ въртенето като околосветско пътуване: в зависимост от посоката на движение човек губи или печели време. Влакнестият жироскоп включва влакно, което е навито около намотка и образува пръстеновиден резонатор. В този резонатор светлината може да пътува със или срещу часовника.

Когато обектът се завърти, пътят, изминат от светлинната вълна, се променя неусетно, като се свива или разширява с малка граница. Това е тази минутна промяна, която детекторът може да улови и използва, за да изчисли въртенето.

Но тук оптичните влакна се сблъскват с границите на своите възможности. Магнитните и електрическите полета могат да попречат на интерпретационната работа на сензора, а самият материал може да взаимодейства със светлината и да причини промяна в оптичните си свойства. Тези така наречени нелинейни ефекти пряко влияят върху движението на светлината. Смущението е толкова минимално, че не представлява проблем за телекомуникациите, но може да се окаже критично за навигацията на автономни обекти, тъй като малкото отклонение от очакваната посока скоро ще означава измеримо отклонение от избрания курс.

В работата си, за да избегнат тези ефекти, изследователи от Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration IZM изследват авангардни технологии и материали и са се натъкнали на обещаващ нов кандидат на пазара: кухи влакна.

Те са точно толкова тънки, колкото типичните оптични влакна, но съдържат въздух вместо стъклена сърцевина. Светлината може да преминава през това кухо пространство без никакво прекъсване, което ясно намалява материалните ефекти, които могат да променят поведението му. Светлината също се движи през материала със скорост 1,5 пъти по-висока от стандартните влакна, което прави влакната с куха сърцевина привлекателна опция и за приложения за предаване на данни. В момента тяхната висока награда все още стои на пътя на по-широкото им приемане.

Интелигентна технология за взаимно свързване на помощ

За изследователите около експертите по фотоника Wojciech Lewoczko-Adamczyk и Stefan Lenzky, предизвикателството беше да се възползват от устойчивите на разрушаване свойства на тези влакна за конструирането на високо прецизни жироскопи, като в същото време поддържат ниски производствените разходи. Те трябваше да намерят технология за взаимно свързване, която да работи с новия тип влакно. Едно голямо предизвикателство беше средството за разделяне на светлинния сигнал за няколко канала. Обикновено отделните вълноводи ще бъдат свързани чрез простото им сливане, но това е невъзможно за влакната с куха сърцевина, тъй като тяхната уникална структура ще бъде загубена, когато бъдат изложени на топлина.

За да противодействат на този ефект, изследователите са конструирали миниатюрни колиматори: високо прецизни лещи, които улавят светлината от едно влакно и я излъчват, преди да може да се случи дифракция. След преминаването на тази решаваща стъпка светлината може да бъде разделена от полуотразяващи огледала и подадена в пръстеновидния резонатор. След едно пътуване около пръстена, то се измерва и се подава обратно във влакното през втори колиматор.

Монтажна платформа за МСП

Когато свързвате светлина с два колиматора, изключителната прецизност е от съществено значение: В лабораторни среди компонентите могат да бъдат поставени и подравнени с прецизни инструменти за позициониране, но е малко вероятно те да бъдат налични в индустриалните производствени обекти. Това означава, че малките и средните предприятия досега не са били в състояние да предложат този процес. Ето защо германско-полският консорциум разработва платформа за пасивно свързване, която позволява технологията да бъде интегрирана в отделни приложения. Разположението му позволява прецизно напасване на готовите колиматори, премахвайки необходимостта от допълнително подравняване.

Въпреки че проектът все още е планиран да продължи до края на годината, изследователите вече са постигнали значителен напредък: все още са необходими колиматори за огъване на лъчите, оптичните компоненти, произведени от Fraunhofer IZM, вече превъзхождат текущите решения на пазара с десетократна точност, при максимален ъгъл на пречупване 0,04 градуса. Това означава, че двойки колиматори могат да се използват за платформата за пасивно свързване, без да се изисква допълнително подравняване, като същевременно се постига ефективност на свързване от над 85 процента. Мисията за третата и последна година от проекта е да се тества колко надеждна ще бъде платформата, да се добавят повече оптични и механични компоненти и да се постави всичко в жироскоп. След като сензорът за въртене е конструиран, всичко е готово за тестване на технологията в реални условия.

Платформата за сглобяване на колиматора може да направи оптичните жироскопи за самолети и сателити по-устойчиви срещу смущения, но също така може да бъде хибридно допълнение към интегрирани оптични системи, които например използват оптични елементи, които се нуждаят от свободно свързване на лъча. Разсеяната светлина, излизаща от вълновод, може да бъде колимирана, за да се намалят загубите при повторно влизане в следващия вълновод. Оптичното решение ще бъде подходящо и за обработка на материали с ултрамощни светлинни лъчи или за предаване на инфрачервена или късовълнова UV светлина. Могат да се измислят и други обещаващи приложения в областта на телекомуникациите.


Новото оптично влакно носи значителни подобрения на базираните на светлина жироскопи


Предоставено от Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration IZM

Цитат: Влакна с куха сърцевина за прецизно позициониране в космоса (2022 г., 16 август), извлечено на 17 август 2022 г. от https://phys.org/news/2022-08-hollow-core-fibers-precise-positioning-space.html

Този документ е обект на авторско право. Освен всяко честно отношение за целите на частно проучване или изследване, никоя част не може да бъде възпроизвеждана без писмено разрешение. Съдържанието се предоставя само за информационни цели.