科学家们通过提高谐振器光纤陀螺仪的性能取得了重大突破--这是一种利用光来感应旋转的光纤传感器。
研究人员加入了一种被称为无节点抗谐振光纤的新型中空芯光纤，以提高谐振器光纤陀螺仪的性能。
研究人员已经加入了一种被称为无节点抗谐振光纤的新型中空芯光纤，以提高谐振器光纤陀螺仪的性能。这些陀螺仪有朝一日可能会成为导航技术的基础，这些技术比今天的系统更紧凑、更精确。图片来源：南安普顿大学光电研究中心的Gregory T.Jasion。
由于陀螺仪构成了大多数导航系统的基础，最新的研究有朝一日可能会给这种系统带来重大的提升。
来自霍尼韦尔国际公司的研究小组负责人Glen A.Sanders表示："高性能陀螺仪被用于许多类型的航空、地面、海洋和空间应用中的导航。我们的陀螺仪是一种高性能的陀螺仪。
虽然我们的陀螺仪仍处于早期开发阶段，但如果它能达到全部性能，它将成为下一代制导和导航技术的一部分，不仅能提高精度，而且还能减小尺寸和重量。”
来自国际霍尼韦尔公司和英国南安普顿大学光电子研究中心的研究团队展示了他们如何有效地应用一种新型的中空芯光纤来解决许多限制早期谐振器光纤陀螺仪性能的因素。该研究报告发表在光学学会（OSA）杂志《Optics Letters》上。
通过这种方法，即使是对陀螺仪稳定性这一最具挑战性的性能要求，也比以前发表的涉及中空芯光纤的研究提高了500倍之多。
“我们希望看到这些陀螺仪被用于下一代民用航空、自主车辆和其他许多采用导航系统的应用中。事实上，当我们提高制导和导航系统的性能时，我们希望能开启全新的功能和应用。”霍尼韦尔国际公司Glen A.Sanders说。
用光感应旋转
谐振器光纤陀螺仪使用的两个激光器通过光纤线圈以相反的方向传递。光纤两端连接起来，形成一个光谐振器，使大部分光再循环，绕着光纤线圈走了无数趟。
当线圈不活动时，两个方向上的光束共享同一种共振频率。然而，当线圈旋转时，共振频率会以一种可以利用的方式相对移动，以确定放置陀螺仪的设备或车辆的定向或移动方向。
相当长一段时间以来，霍尼韦尔国际公司一直在设计谐振器光纤陀螺仪技术，因为与目前的传感器相比，这种仪器能够在尺寸更紧凑的设备中提供高精度的导航。
但科学家们发现，很难检测出一种光纤，即使是这种陀螺仪所需的超细激光线宽的适度激光功率水平，也能容忍，而不会引起任何影响传感器性能的非线性效应。
使用更好的光纤
在最新的研究中，由南安普顿大学的Austin Taranta领导，该团队开始寻找一种全新的中空芯纤维是否能提供更多的增强功能。这种新的纤维系列被称为无节点抗谐振纤维（NANF），其非线性效应甚至低于其他种类的中空芯纤维。
此外，NANF表现出较低的光衰减，这提高了谐振器的质量，因为光可以通过光纤在延长的传播长度上维持其强度。事实上，与所有中空芯光纤相比，这类光纤已被证明具有最低的光损耗，而且，对于许多光谱分量，其损耗是所有光纤中最低的。
在谐振器光纤陀螺仪的情况下，光应该只在单一方向通过光纤。NANFs通过消除由模态杂质、偏振耦合和反向散射引起的光学缺陷，使之成为可行的，这些缺陷都是已知的陀螺仪中额外噪声或误差的可能来源。消除这种光学误差，甚至可以消除其他类型光纤技术最主要的性能限制因素。
"虽然这种传感器的骨干是新型光纤，但我们也致力于以前所未有的精度大大降低感知共振频率时的噪声，"Sanders补充道。"这对于提高性能和向传感器小型化发展至关重要。"
实现长期稳定性
霍尼韦尔国际公司的研究人员进行了实验室研究，以确定最新的光纤陀螺仪传感器在一致的旋转条件下的性能，也就是说，只有在地球旋转的情况下才会出现。这一事实确立了仪器的"偏置稳定性"。
为了消除自由空间光学设置中的干扰和噪音，研究人员将陀螺仪安装在一个稳定的静态墩子上。随后，他们整合了NANFs，并显示出每小时0.05°的长期偏置稳定性，这近似于民用飞机导航所需的水平。
"通过在这一极其苛刻的应用中展示NANFs的高性能，我们希望展示这些纤维在其他精密科学谐振腔中使用的非凡前景，"Taranta表示。
目前，该团队正在寻找方法来创建一个具有更稳定和紧凑配置的原型陀螺仪。他们还计划整合新一代的NANF，这种光纤的光损增强了4倍，偏振和模态纯度大大提升。