Rekord: Kleinstes optisches Gyroskop der Welt

29. Oktober 2018, 10:14 Uhr
Winziges optisches Gyroskop im Vergleich mit Reiskörnern. Bild: Ali Hajimiri/Caltech
Winziges optisches Gyroskop im Vergleich mit Reiskörnern. Bild: Ali Hajimiri/Caltech
Am California Institue of Technology (CalTech) wurde ein optisches Gyroskop hergestellt, das dank größerer Verbesserung beim Signal/Rausch-Verhältnis so winzig gebaut werden konnte, dass es kleiner als ein Reiskorn ist.

Gyroskope vermitteln Fahrzeugen, Drohnen, Smartphones und anderen elektronischen Geräten ihre Lage im dreidimensionalen Raum. Sie stecken in viel Alltagstechnik und ihre Miniaturisierungsgeschichte ist fast schon ein technisches Wunder. Früher steckten Gyroskope vor allem in Schiffen und Flugzeugen, und erlaubten dort einen künstlichen Horizont, der von Sichtbedingungen unabhängig ist. Damals waren das feinmechanische Kunstwerke mit sehr schnell drehenden Kreiseln samt entsprechender Steuerung. Heute stecken sie selbst in preiswerten Handys. Moderne Gyroskope basieren auf sogenannten mikroelektromechanischen Sensoren (MEMS), die Veränderungen in den Kräften messen, die auf zwei identische schwingende Massen wirken, die sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Diese MEMS-Gyroskope haben leider eine begrenzte Empfindlichkeit, weshalb für Anwendungen mit präziseren Ansprüchen optische Gyroskope entwickelt wurden, die ohne bewegliche Teile auskommen und eine höhere Genauigkeit mittels des sogenannten Sagnac-Effekts erreichen.

Sagnac-Effekt

Dieser Effekt ist nach dem französischen Physiker Georges Sagnac benannt. Es handelt sich dabei um ein optisches Phänomen, das auf Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie basiert. Man teilt hierzu einen Lichtstrahl und lässt sie in entgegengesetzter Richtung kreisförmig wandern. Sie treffen sich an einem Lichtdetektor wieder. Da sich Licht bekanntlich konstant eben mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, kommt bei Drehung einer der beiden Strahlen vor dem anderen am Detektor an und die hier entstehende Phasenverschiebung ist ein Maß für die Drehung. Wird dies in allen drei Raumachsen gemacht, kann man so ein dreichsiges Gyroskop zur Raumorientierung bauen.

Probleme

Die kleinsten aktuellen optischen Hochleistungs-Kreisel waren bislang leider größer als ein Golfball und passen daher nicht so ganz in Smartphones. Sie nehmen sogar für Fahrzeuge zu viel Platz weg, wenn man sie in deren Steuerungselektronik integrieren will. Durch stärkere Miniaturisierung nimmt aber leider auch der Sagnac-Effekt ab, was die mögliche Präzision einschränkt und bisher wirklich kleine optische Gyroskope verhindert hat.

Das Neue

Die Ingenieure des CalTech in der Abteilung für Technik und angewandte Wissenschaften entwickelten nun ein neues optisches Gyroskop, das 500-mal kleiner ist als bisherige Konstruktionen. Interessanterweise kann dieses Mini-Gyroskop trotzdem 30-fach kleinere Phasenverschiebungen erkennen als die größeren Systeme. Das neuartige Gyroskop wird in der November-Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Photonics beschrieben.

Funktion

Das neue Gyroskop erreicht diese Leistungssteigerung durch die Verwendung einer neuen Technik namens „reziproke Empfindlichkeitsverbesserung“. Die Reziprozität bezieht sich darauf, dass beide Lichtstrahlen im Gyroskop in gleicher Weise beeinflusst werden. Der Sagnac-Effekt mit der Nutzung der Differenz zwischen beiden gegensätzlich laufenden Strahlen gilt als „nicht reziprok“. Im Inneren des Gyroskops fäuft das Licht durch miniaturisierte Lichtwellenleiter. Unvollkommenheiten im optischen Pfad und äußere Störungen wirken sich auf beide Strahlen gleichermaßen aus.
Das Team um Ali Hajimiri fand aber einen Weg, dieses reziproke Rauschen zu reduzieren und dabei die Signale intakt zu lassen. Die Erhöhung der reziproken Empfindlichkeit verbessert folglich das Signal-Rausch-Verhältnis und ermöglicht so genaue optische Gyroskope auf einem Chip, der kleiner als ein Reiskorn ist.
 
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