Onderzoekers hebben een belangrijke nieuwe stap gezet in het verbeteren van de prestaties van resonator-glasvezelgyroscopen, een type glasvezelsensor die rotatie detecteert met alleen licht. Omdat gyroscopen de basis vormen van de meeste navigatiesystemen, het nieuwe werk zou op een dag belangrijke verbeteringen aan deze systemen kunnen brengen.

"High-performance gyroscopen worden gebruikt voor navigatie in vele soorten lucht, grond, maritieme en ruimtevaarttoepassingen, " zei Glen A. Sanders, die het onderzoeksteam van Honeywell International leidde. "Hoewel onze gyroscoop zich nog in de beginfase van ontwikkeling bevindt, als het zijn volledige prestatievermogen bereikt, zal het klaar zijn om een ​​van de volgende generatie begeleidings- en navigatietechnologieën te zijn die niet alleen de grenzen van nauwkeurigheid verleggen, maar dit ook doen met een kleiner formaat en gewicht."

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Letters , onderzoekers van Honeywell en het Optoelectronics Research Centre van de University of Southampton in het VK beschrijven hoe ze een nieuw type holle-kern optische vezel gebruikten om verschillende factoren te overwinnen die eerdere resonator-glasvezelgyroscopen beperkten. Hierdoor konden ze de meest veeleisende prestatie-eis van de gyroscoopstabiliteit tot 500 keer verbeteren ten opzichte van eerder gepubliceerd werk met holle kernvezels

"We hopen dat deze gyroscopen worden gebruikt in de volgende generatie burgerluchtvaart, autonome voertuigen en de vele andere toepassingen waarin navigatiesystemen worden gebruikt, "zei Sanders. "Inderdaad, omdat we de prestaties van navigatie- en navigatiesystemen verbeteren, we hopen geheel nieuwe mogelijkheden en toepassingen te openen."

Rotatie detecteren met licht

Resonator-vezeloptische gyroscopen gebruiken twee lasers die in tegengestelde richtingen door een spoel van optische vezels gaan. De uiteinden van de vezel zijn verbonden om een ​​optische resonator te vormen, zodat het meeste licht zal recirculeren en meerdere keren rond de spoel zal gaan. Als de spoel in rust is, de lichtstralen die in beide richtingen reizen delen dezelfde resonantiefrequentie, maar als de spoel draait, de resonantiefrequenties verschuiven ten opzichte van elkaar op een manier die kan worden gebruikt om de bewegingsrichting of oriëntatie te berekenen voor het voertuig of apparaat waarop de gyroscoop is gemonteerd.

Honeywell ontwikkelt al geruime tijd resonator-vezeloptische gyroscooptechnologie vanwege het potentieel om navigatie met hoge nauwkeurigheid te leveren in een kleiner apparaat in vergelijking met huidige sensoren. Echter, het was een uitdaging om een ​​optische vezel te identificeren die bestand is tegen de zelfs bescheiden laservermogensniveaus bij de ultrafijne laserlijnbreedten die vereist zijn voor deze gyroscopen zonder niet-lineaire effecten te veroorzaken die de prestaties van de sensor verminderen.

"In 2006, we hebben voorgesteld om een ​​holle kernvezel te gebruiken voor de optische gyroscoop van de resonatorvezel, "zei Sanders. "Omdat deze vezels het licht opsluiten in een centrale met lucht of gas gevulde leegte, sensoren die erop zijn gebaseerd, hebben geen last van de niet-lineaire effecten die sensoren op basis van vaste vezels teisteren."

Een nog betere vezel gebruiken

In het nieuwe werk geleid door Austin Taranta aan de Universiteit van Southampton, de onderzoekers wilden kijken of een geheel nieuw type holle kernvezel nog meer verbeteringen zou kunnen brengen. Bekend als knooploze antiresonante vezel (NANF), deze nieuwe klasse vezels vertoont nog lagere niveaus van niet-lineaire effecten dan andere holle kernvezels.

NANF's hebben ook een lage optische demping, wat de kwaliteit van de resonator verbetert omdat het licht zijn intensiteit behoudt over langere voortplantingslengten door de vezel. In feite, van deze vezels is aangetoond dat ze het laagste lichtverlies hebben van alle holle kernvezels, en voor veel delen van het spectrum, het laagste verlies van elke optische vezel.

Voor resonator-glasvezelgyroscopen, het is van cruciaal belang dat het licht zich slechts in een enkel pad door de vezel voortplant. De NANF's helpen dit mogelijk te maken door optische fouten te elimineren die worden veroorzaakt door terugverstrooiing, polarisatiekoppeling en modale onzuiverheden, die allemaal potentiële bronnen van fouten of extra ruis in de gyroscoop zijn. Hun eliminatie verwijdert de belangrijkste prestatiebeperkers voor andere vezeltechnologieën.

"Hoewel de ruggengraat van deze sensor het nieuwe type optische vezel is, we hebben ook gewerkt om ruis sterk te verminderen bij het meten van de resonantiefrequentie met ongekende nauwkeurigheid, "zei Sanders. "Dit was cruciaal voor het verbeteren van de prestaties en voor het verkleinen van de sensor."

Stabiliteit op lange termijn bereiken

De Honeywell-onderzoekers voerden laboratoriumstudies uit om de prestaties van de nieuwe glasvezelgyroscoopsensor onder stabiele rotatieomstandigheden te karakteriseren, d.w.z., alleen in aanwezigheid van de rotatie van de aarde. Dit stelt de "bias-stabiliteit" van het instrument vast. Om ruis en storingen in de optische opstelling in de vrije ruimte te elimineren, de gyroscoop was op een stal gemonteerd, statische pijler. Door de NANF's op te nemen, de onderzoekers konden een langdurige bias-stabiliteit van 0,05 graden per uur aantonen, die dicht in de buurt komt van de niveaus die vereist zijn voor de navigatie van burgerluchtvaartuigen.

"Door de hoge prestaties van NANF's in deze extreem veeleisende toepassing aan te tonen, we hopen de uitzonderlijke belofte van deze vezels te laten zien voor gebruik in andere precisie-wetenschappelijke resonantieholtes, ", zei Taranta. De onderzoekers werken nu aan het maken van een prototype-gyroscoop met een compactere en stabielere configuratie. Ze zijn ook van plan om de nieuwste generatie NANF's op te nemen, die een viervoudige verbetering van optische verliezen vertonen, samen met sterk verbeterde modale en polarisatiezuiverheid.