一文读懂光纤陀螺仪的工作原理

2019-05-20 18:44:46 来源: MEMS
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据报道,光纤陀螺仪在测量飞机和其它运动物体的旋转和方向时,如果使用普通经典光学方法,其精度会受到固有限制。在一项新的研究中,物理学家首次通过实验证明,使用纠缠光子可以克服这一经典极限,即“散粒噪声极限”,并达到经典光学方法无法达到的精度水平。

 

左图为实验装置,右图为光纤陀螺仪的光学设计示意图

 

奥地利科学院的Matthias Fink和Rupert Ursin以及维也纳量子科学与技术中心的物理学家们在最近一期的《新物理学杂志》上发表了一篇关于纠缠增强型光纤陀螺仪的论文。

 

Fink表示“我们已经证明纠缠光子的产生达到了成熟技术水平,即使在恶劣环境中我们也能以亚散粒噪声的精度进行测量。”

 

光纤陀螺仪(FOGs)与常用于玩具中的旋转式陀螺仪类似,因为这两种陀螺仪都能测量物体的旋转。但这两种陀螺仪的工作机制却不同:光纤陀螺仪内部没有运动部件,而是用光进行测量。

 

旋转式陀螺仪的历史可以追溯到19世纪。光纤陀螺仪则是在20世纪70年代末出现的,基于乔治·萨格纳克(Georges Sagnac)在1913年首次观测到的萨格纳克效应。当时,萨格纳克希望探测到光是通过以太介质传播的,但他的实验却成了支持相对论的基础实验之一。

 

当两束光束在干涉仪中沿不同方向做环形运动时,就会产生萨格纳克效应。当干涉仪处于静止状态时,两束光束通过环路所用的时间相同,但当干涉仪开始旋转时,沿旋转方向围绕环路移动的光束,其移动距离更长,因此到达探测器所需的时间比另一束光束长。这种时间差导致两束光束之间的相位差。

 

光纤陀螺仪的相位差测量精度决定了旋转测量的整体精度。光纤陀螺仪的精度受到多个噪声源的限制,主要影响因素是散粒噪声。光子的量子化产生了散粒噪声。当单个光子通过器件时,其离散性意味着流动不是完全平滑的,从而产生白噪声。虽然可以通过增加功率(光子通过速率)来降低散粒噪声,但功率越大,其他噪声也越大,因此需要进行权衡。

 

为了突破散粒噪声的限制,物理学家们在新的研究中使用了两对处于两种模式叠加的纠缠光子,这样纠缠光子就可以在两个方向上有效地穿过环路。纠缠会引起光子的德布罗意波长显著降低,从而实现精度超过散粒噪声极限,同样地超过了使用经典光学方式可能达到的最佳精度。

 

目前,由于使用的探测器功率较低,新的光纤陀螺仪还不会对商用(经典)光纤陀螺仪构成威胁。研究人员预计,随着探测器技术的进步和光子源亮度增加,纠缠光子光纤陀螺仪在不久的将来将实现商用。总的来说,物理学家希望目前的结果能代表光纤陀螺仪突破灵敏度终极极限的第一步。

 

Fink说:“一个有趣的问题是,除了散粒噪声,其它噪声源在很大程度上可以通过优化光子态来减少或补偿。对于这些问题的答案,可以在这些影响变得显著时用实验评估其强度。”

 

文中论文链接:

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/ab1bb2

 
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