ژیروسکوپ‌های نوری

دانا اندرسون
استادیار بخش فیزیک،دانشگاه کلورادو،بولدر آمریکا
ژیرسکوپ‌های نوری هم درست مثل ژیروسکوپ‌های مکانیکی می‌توانند حرکت چرخشی را آشکار کنند، ولی عملا هیچ جزء متحرکی ندارند. این دستگاه‌ها در سیستم‌های هدایت نقش مهمی به‌دست آورده‌اند.
کلمة ژیروسکوپ در ذهن تصویر شیء بدیعی را تداعی می‌کند که با رشته نخی به حرکت در می‌آید و قادر است تعادل خود را روی نوک تیز مدادی حفظ کند. این اسباب‌بازی در واقع نمونه‌ای است از دستگاه‌هایی که اساس آن‌ها چهارچوبی است حاوی چرخی که با سرعت زیاد در‌حال چرخش است. اندازه حرکت زاویه ای چرخ عاملی است که با تغییر سمت¬گیری چرخ مخالفت می‌کند؛ حتی هنگامی که خود چهار چوب هم چرخانده شود. بنابراین ژیروسکوپ می‌تواند شدت دوران را آشکار کند و به این ترتیب می‌تواند اطلاعاتی دربارة جهت‌یابی فراهم کند که در هوانوردی و دریانوردی قابل استفاده است. در عمل، تقریباً تمام وسایل نقلیة پیچیده‌تر از اتومبیل(و گاهی حتی وسایل خیلی ساده‌تر از‌آن)، برای حفظ مسیر متکی بر ژیروسکوپند. مثلاً، در هر هواپیمای جت و هر‌کشتی اقیانوس‌پیما، هسته مرکزی سیستم هدایت کنندة لخت را ژیروسکوپ تشکیل می‌دهد. دلیلش این است که ژیروسکوپ برای عمل کردن به هیچ‌گونه محرک خارجی نیاز ندارد. مثلاً، حتی اگر مسافر درون یک جعبه منزوی قرار بگیرد طوری که نتواند سیاره‌ها را ببیند و از دریافت میدان مغناطیسی هم برای استفاده در قطب‌نما محروم باشد، می‌تواند با استفاده از ژیروسکوپ تغییر حرکت را آشکار کند.
در اواخر دو قرن گذشته پژوهش‌گران پی بردند که نور هم می‌تواند از خود رفتار ژیروسکوپی بروز بدهد: مدت لازم برای اینکه نور مسیر مدوری را طی کند بستگی دارد به اینکه این مسیر ثابت باشد یا چرخان و اختلاف مدت می تواند معیاری برای شدت چرخش باشد. ساختن ژیروسکوپ نوری که در عمل قابل استفاده باشد تا ظهور لیزر و پیشرفت در تکنولوژی‌هایی مثل کابل‌های الیاف نوری و آینه‌هایی با باز‌تابندگی بسیار زیاد،به تعویق افتاد. دو نوع احساس‌گر نوری چرخش از این تکنولوژی‌ها ظهور کرده‌اند:ژیروسکوپ‌های الیافی و ژیروسکوپ‌های حلقه‌ای ـ لیزری.
از این میان، ژیروسکوپ حلقه‌ای‌-‌ لیزری که از لحاظ فنی پیشرفته‌تر است، دستگاه بسیار جالبی است که فعلاً به عنوان یک عنصر قابل استفاده در سیستم‌های هدایت‌کننده برای خود جایی باز کرده است. در هواپیماهای مسافربری مثل بوئینگ‌های 757ر767 و بعضی هواپیماهای ایرباس A310 به جای ژیروسکوپ‌های مکانیکی از ژیروسکوپ‌های حلقه‌ای- لیزری استفاده می‌شود. هرچند حساسیت ژیروسکوپ‌های نوری فوق العاده زیاد است، ولی رو ‌آوردن به این ابزار‌های جدید به خاطر دقیق‌تر کردن اندازه‌گیری‌ها نیست. ژیروسکوپ‌های مکانیکی هم دقیق‌اند، اما اجزاء متحرکشان باعث می¬شود که آن‌ها از ابزارهای نوری، که علی ‌الظاهر هیچ جزء متحرکی ندارند، پیچیده‌تر باشند. در واقع ژیروسکوپ‌های نوری هم بعضی قطعات متحرک دارند، اما نگهداری آن¬ها راحت‌تر است و بنا بر این از نمونه‌های مکانیکی‌شان کم‌خرج‌ترند.