Uzayda hassas konumlandırma için içi boş lifler

Arabaların sürdüğünü veya uçakların kendi kendilerine uçtuğunu görmek, ancak yerleşik elektronikler, herhangi bir zamanda güvenilir bir doğrulukla uzayda nerede olduklarını belirleyebilirse elde edilebilir. Havacılık sektöründe bu işlev, bir geminin uçuş sırasındaki yörüngesini kontrol etmek ve stabilize etmek için ışığı ölçen jiroskoplara verilir. Ancak bu tür jiroskoplar belirli fiziksel özelliklerden veya elektrik veya manyetik alanlardan etkilenebilir ve sonuçları korkunç olabilir. Bu nedenle bir Alman-Polonya konsorsiyumu, jiroskopları parazite karşı daha az duyarlı hale getirmek için ışığı iletmenin güvenilir bir yolunu geliştirmek için bir araya geldi. Sırrı: ışığı minimum kayıpla yönlendirebilen içi boş lifler.

Optik lifler, modern iletişimin omurgasını oluşturur: insan saçından daha ince olan küçük tüpler, yine on kat daha ince bir cam çekirdeğe sahiptir. Bu çekirdekte, ışık aslında onu hiçbir şey bozmadan hareket edebilir. Malzemenin kırılma indisi dış katmana yaklaştıkça azaldıkça, ışık daha ince duvarlardan sızmaz, iç çekirdekten zikzak çizerek onlardan geri döner. Bilim adamları, bu başarıldığında tam bir içsel tersine dönüşten söz ederler.

Ölçüm teknolojisi ayrıca optik fiberlerin özelliklerini kullanır. Jiroskopların, yani yüksek hassasiyetli dönüş sensörlerinin önemli bir parçasıdırlar. Yalnızca bir hareket ekseni ilgili olsaydı, ivmeölçer sensörleri yeterli olurdu, ancak bağımsız bir nesnenin uzayın üç boyutundaki hareketinin izlenmesi gerektiğinde, ölçüm sisteminin daha karmaşık olması ve üç ivmeölçer ve jiroskop içermesi gerekirdi.

Optik jiroskoplar maksimumda

Bir dünya turu gibi dönüşü ölçen bir optik jiroskop hayal edilebilir: seyahat yönüne bağlı olarak, kişi zaman kaybeder veya zaman kazanır. Bir fiber jiroskop, bobinin etrafına sarılmış ve bir toroidal rezonatör oluşturan bir fiber içerir. Bu rezonatörde ışık saatle birlikte veya saate karşı hareket edebilir.

Nesne döndükçe, ışık dalgasının geçtiği yol, ya küçülür ya da küçük bir farkla genişler. Bu, dedektörün alıp dönüşü hesaplamak için kullanabileceği tam değişikliktir.

Ancak bu, optik fiberlerin yeteneklerinin sınırlarına karşı çalıştığı yerdir. Manyetik ve elektrik alanlar sensörün yorumlanmasına müdahale edebilir ve malzemenin kendisi ışıkla etkileşebilir ve optik özelliklerinde bir değişikliğe neden olabilir. Bu sözde doğrusal olmayan etkiler, ışığın nasıl hareket ettiğini doğrudan etkiler. Girişim o kadar küçüktür ki, iletişim için bir sorun oluşturmaz, ancak beklenen yönden küçük bir sapma, seçilen yoldan ölçülebilir bir sapma anlamına geleceğinden, bağımsız nesnelerde navigasyon için önemli olabilir.

Fraunhofer Güvenilirlik ve Mikro Entegrasyon Enstitüsü IZM’deki araştırmacılar, bu etkilerden kaçınmak için yaptıkları çalışmalarda en son teknolojileri ve malzemeleri araştırdılar ve piyasada umut verici yeni bir adayla karşılaştılar: içi boş lifler.

Tipik bir optik fiber kadar incedir, ancak bir cam çekirdek yerine hava içerir. Işık, bu boşluktan herhangi bir rahatsızlık duymadan geçebilir, bu da davranışlarını değiştirebilen maddelerin etkilerini açıkça azaltır. Işık ayrıca malzemede standart bir fiberden 1,5 kat daha hızlı hareket eder, bu da içi boş fiberleri veri iletim uygulamaları için çekici bir seçenek haline getirir. Şu anda, yüksek ödülleri hala yaygın olarak benimsenmelerinin önünde duruyor.

Kurtarmaya Akıllı Bağlantı Teknolojisi

Fotonik uzmanları Wojciech Lewoczko-Adamczyk ve Stefan Lenzky çevresindeki araştırmacılar için zorluk, bu fiberlerin bozulmaya dayanıklı özelliklerini yakalayarak yüksek çözünürlüklü jiroskoplar oluşturmak ve aynı zamanda üretim maliyetlerini düşük tutmaktı. Yeni fiber türüyle çalışabilecek bir ekleme teknolojisi bulmaları gerekiyordu. Ana zorluklardan biri, ışık sinyalini birkaç kanala bölme yöntemiydi. Bireysel dalga kılavuzları genellikle basitçe bir araya getirilerek birleştirildi, ancak içi boş lifler için bu imkansızdı, çünkü ısıya maruz kaldıklarında benzersiz yapıları kaybolacaktı.

Bu etkiye karşı koymak için, araştırmacılar minyatür bir kolimatör geliştirdiler: herhangi bir sapma meydana gelmeden önce bir fiberden ışık yakalayan ve yayan yüksek çözünürlüklü lensler. Geçilen bu kritik adımla, ışık yarı yansıtıcı aynalarla bölünebilir ve toroidal rezonatöre beslenebilir. Döngü etrafında bir tur atıldıktan sonra ölçülür ve ikinci bir kolimatör aracılığıyla fibere geri döndürülür.

Küçük ve orta ölçekli işletmeler için toplama platformu

Işığı iki kolimatörle birleştirirken, üstün hassasiyet esastır: laboratuvar ortamlarında, bileşenler hassas konumlandırma aletleriyle konumlandırılabilir ve hizalanabilir, ancak endüstriyel üretim tesislerinde bulunmaları pek olası değildir. Bu, küçük ve orta ölçekli işletmelerin şimdiye kadar bu süreci sunamadığı anlamına geliyor. Bu nedenle Alman-Polonya konsorsiyumu, teknolojinin bireysel uygulamalara entegre edilmesini sağlayan pasif bir bağlantı platformu geliştiriyor. Tasarımı, uç terazilerin hassas bir şekilde monte edilmesini sağlayarak ek hizalama ihtiyacını ortadan kaldırır.

Yıl sonuna kadar devam eden proje ile bile, araştırmacılar önemli ilerleme kaydettiler: kirişleri bükmek için hala stabilizatörlere ihtiyaç var ve Fraunhofer IZM tarafından üretilen optik bileşenler, halihazırda on kat doğrulukla piyasadaki mevcut çözümlerden daha iyi performans gösteriyor. 0.04 derecelik maksimum kırılma açısı ile. Bu, kolimatör çiftlerinin, ek hizalamaya gerek kalmadan negatif bir kuplaj platformu için kullanılabileceği ve yüzde 85’in üzerinde kuplaj verimliliği elde edilebileceği anlamına gelir. Projenin üçüncü ve son yılındaki görev, platformun güvenilirliğini test etmek, daha fazla optik ve mekanik bileşen eklemek ve her şeyi jiroskopa sığdırmaktır. Gyro sensörü oluşturulduktan sonra, teknolojinin gerçek yaşam koşulları altında saha testi için her şey hazırdır.

Kolimasyon montaj platformu, uçak ve uydu optik jiroskoplarını kesintiye karşı daha dayanıklı hale getirebilir, ancak aynı zamanda örneğin serbest ışın bağlantısına ihtiyaç duyan optik elemanları kullanan entegre optik sistemler için hibrit bir eklenti olabilir. Dalga kılavuzundan çıkan saçılan ışık, bir sonraki dalga kılavuzuna yeniden girerken kayıpları azaltmak için paralel hale getirilebilir. Optik çözüm, aynı zamanda, yüksek enerjili ışık ışınlarına sahip malzemelerin işlenmesi veya kızılötesi veya kısa dalga ultraviyole ışınlarının iletilmesi için de uygun olacaktır. İletişim alanında gelecek vaat eden başka uygulamalar da düşünülebilir.

Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM tarafından gönderildi