Forskare har tagit ett viktigt nytt steg för att förbättra prestanda hos resonatorfiberoptiska gyroskop, en typ av fiberoptisk sensor som känner av rotation med endast ljus. Eftersom gyroskop är grunden för de flesta navigationssystem, det nya arbetet kan en dag ge viktiga förbättringar av dessa system.

"Högpresterande gyroskop används för navigering i många typer av luft, jord, marina och rymdapplikationer, "sa Glen A. Sanders, som ledde forskargruppen från Honeywell International. "Även om vårt gyroskop fortfarande är i de tidiga utvecklingsstadierna, om den når sin fulla prestanda kommer den att vara bland nästa generations vägledning och navigeringsteknik som inte bara ökar gränserna för noggrannhet utan gör det med minskad storlek och vikt. "

I tidskriften The Optical Society (OSA) Optikbokstäver , forskare från Honeywell och University of Southamptons Optoelectronics Research Center i Storbritannien beskriver hur de använde en ny typ av ihålig optisk fiber för att övervinna flera faktorer som har begränsat tidigare resonatorfiberoptiska gyroskop. Detta gjorde det möjligt för dem att förbättra det mest krävande prestandakravet för gyroskopstabiliteten med så mycket som 500 gånger över tidigare publicerat arbete med ihåliga kärnfibrer

"Vi hoppas få se dessa gyroskop som används i nästa generations civil luftfart, autonoma fordon och de många andra tillämpningar där navigationssystem används, "sa Sanders." Faktiskt, när vi förbättrar prestanda för vägledning och navigationssystem, Vi hoppas kunna öppna helt nya funktioner och applikationer. "

Känns rotation med ljus

Resonator fiberoptiska gyroskop använder två lasrar som rör sig genom en spole av optisk fiber i motsatta riktningar. Ändarna på fibern är anslutna för att bilda en optisk resonator så att det mesta av ljuset kommer att cirkulera och ta flera resor runt spolen. När spolen är i vila, ljusstrålarna som reser i båda riktningarna delar samma resonansfrekvens, men när spolen roterar, resonansfrekvenserna skiftar relativt varandra på ett sätt som kan användas för att beräkna rörelseriktningen eller orienteringen för fordonet eller anordningen som gyroskopet är monterat på.

Honeywell har utvecklat resonator fiberoptisk gyroskopteknologi under en tid på grund av dess potential att leverera hög noggrannhet navigering i en mindre storlek jämfört med nuvarande sensorer. Dock, det har varit utmanande att identifiera en optisk fiber som tål de jämnaste lasereffektnivåerna vid de ultrafina laserlinjebredderna som krävs av dessa gyroskop utan att orsaka olinjära effekter som försämrar sensorns prestanda.

"Under 2006, vi föreslog att använda en ihålig kärnfiber för resonatorfiberoptiskt gyroskop, "sa Sanders." Eftersom dessa fibrer begränsar ljuset i ett centralt luft- eller gasfylldt tomrum, sensorer baserade på dem lider inte av de olinjära effekterna som plågar sensorer baserade på fasta fibrer. "

Använd en ännu bättre fiber

I det nya arbetet, ledd av Austin Taranta vid University of Southampton, forskarna ville se om en helt ny typ av ihålig fiber skulle kunna ge ännu fler förbättringar. Känd som nodless antiresonant fiber (NANF), denna nya klass av fibrer uppvisar ännu lägre nivåer av olinjära effekter än andra ihåliga kärnfibrer.

NANF har också låg optisk dämpning, vilket förbättrar resonatorns kvalitet eftersom ljuset bibehåller sin intensitet över längre utbredningslängder genom fibern. Faktiskt, dessa fibrer har visat sig ha den lägsta ljusförlusten av någon ihålig kärnfiber, och för många delar av spektrumet, den lägsta förlusten av någon optisk fiber.

För resonatorfiberoptiska gyroskop, det är avgörande att ljuset endast färdas i en enda väg genom fibern. NANF:erna hjälper till att göra detta möjligt genom att eliminera optiska fel som orsakas av backspridning, polarisationskoppling och modala föroreningar, som alla är potentiella felkällor eller extra brus i gyroskopet. Deras eliminering tar bort de mest betydande prestandabegränsarna för andra fibertekniker.

"Även om ryggraden i den här sensorn är den nya typen av optisk fiber, vi arbetade också för att kraftigt minska bruset när vi avkände resonansfrekvensen med en aldrig tidigare skådad noggrannhet, "sa Sanders." Detta var avgörande för att förbättra prestandan och gå mot miniatyrisering av sensorn. "

Uppnå långsiktig stabilitet

Honeywell -forskarna utförde laboratoriestudier för att karakterisera prestandan hos den nya fiberoptiska gyroskopsensorn under stabila rotationsförhållanden, d.v.s. endast i närvaro av jordens rotation. Detta fastställer instrumentets "partiskhet". För att eliminera störningar och störningar i den optiska installationen i ledigt utrymme, gyroskopet monterades på ett stall, statisk pir. Genom att införliva NANF:erna forskarna kunde visa en långsiktig förspänningsstabilitet på 0,05 grader i timmen, som ligger nära de nivåer som krävs för civil luftfartygsnavigering.

"Genom att demonstrera NANF:s höga prestanda i denna extremt krävande applikation, vi hoppas kunna visa dessa fibrers exceptionella löften för användning i andra precisionsvetenskapliga resonanshålor, "sa Taranta. Forskarna arbetar nu med att göra ett prototypgyroskop med en mer kompakt och stabil konfiguration. De planerar också att införliva den senaste generationen NANF, som uppvisar en fyra gånger förbättring av optiska förluster, tillsammans med kraftigt förbättrad modalitet och polarisationsrenhet.