NIST的光機械加速測量方法

　　當你在一條雙車道的路上以限速行駛時，一輛汽車突然從你右邊的車道上沖出。你猛踩剎車，在撞擊的瞬間，安全氣囊就會膨脹，讓你免受傷亡。

　　光機械加速度計的圖示，它使用光來測量加速度。這款由NIST研制的裝置由兩塊硅片組成，紅外激光從底部硅片進入，從頂部出來。頂部的硅片包含一個懸浮在硅梁上的質量塊，這使得質量塊可以在加速度的作用下自由上下移動。在質量塊上的鏡像涂層和附在底部硅片上的半球形鏡子形成一個光學腔。選擇紅外光的波長，使其幾乎與諧振腔的波長相匹配，使光在兩個鏡面之間來回反射許多次，然后離開，從而增強光的強度。當設備加速時，質量塊會移動，從而改變諧振腔的長度并變換共振波長。這改變了反射光的強度。光學讀出器會把強度的變化轉化為對加速度的測量。

　　安全氣囊的展開得益于加速度計——一種可以檢測到速度突然變化的傳感器。加速度計還讓火箭和飛機保持在正確的飛行路線上，為自動駕駛汽車提供導航，旋轉圖像并使它們在手機和平板電腦上保持正面朝上，此外還有其他必需的任務。

　　現在，小型的導航系統和其他裝置對準確測量加速度的需求日益增長，為此，美國國家標準與技術研究院（NIST）的研究人員開發出一種僅毫米厚的加速度計，其使用激光而不是機械應變來產生信號。

　　雖然其他一些加速度計也依賴于光，但這款NIST裝置的設計使測量過程更簡單，并具有更高的準確度。與同類裝置相比，它的工作頻率范圍更廣，而且經過了更嚴格的測試。

　　這種NIST裝置被稱為光機械加速度計，它不僅比最好的商業加速度計精確得多，而且不需要經歷耗時的周期性校準過程。事實上，由于該儀器使用已知頻率的激光來測量加速度，它最終可能作為一種便攜式參考標準來校準目前市場上的其他加速度計，使它們更加準確。

　　加速度計也可能改善諸如軍用飛機、衛星和潛艇等關鍵系統的慣性導航，特別是當GPS信號不可用時。NIST的研究人員Jason Gorman, Thomas LeBrun, David Long和他們的同事們在期刊《光學設計》（Optica）上介紹了他們的工作成果。

　　這個視頻演示了一個新加速度計的工作原理。這種光機械加速度計由兩塊硅片組成。第一塊硅片有一個懸浮在一組硅梁上的質量塊，這使得質量塊可以垂直移動。質量塊的頂部有一層鏡面涂層。第二塊硅片嵌入了一個半球形鏡子。質量塊和半球鏡一起形成一個光學腔。紅外線激光直接射入裝置。大多數頻率被完全反射。然而，與諧振頻率相匹配的光在腔內形成，強度逐漸增加，直到腔內透射的光強度與輸入的相匹配。在另一邊可以探測到由光學腔所透射的光。當器件加速時，諧振腔的長度會發生變化，從而改變諧振頻率。通過不斷地將激光與諧振腔的頻率匹配，研究人員可以確定裝置的加速度。

　　這項研究是“片上NIST”（NIST on a Chip）研究項目的一部分，該項目將研究院的尖端測量科學技術和專業知識直接帶給商業、醫學、國防和學術界的用戶。

　　包括NIST新裝置在內的加速度計，通過追蹤相對于裝置內一個固定參考點的一個自由移動的塊體（稱為“質量塊”）的位置來記錄速度的變化。只有當加速度計減速、加速或改變方向時，質量塊和參考點之間的距離才會改變。同樣的道理也適用于車上的乘客。如果汽車處于靜止狀態或勻速運動，你和儀表盤之間的距離保持不變。但如果汽車突然剎車，你就會被往前拋，你和儀表盤之間的距離就會減少。

　　質量塊的運動產生一個可檢測的信號。NIST的研究人員開發的加速度計依靠紅外光來測量兩個高度反射的表面之間距離的變化，這兩個表面如書擋一般將一小塊空白區域圍起來。質量塊由一根只有人類頭發絲五分之一寬的柔性梁懸空，可以自由移動，支撐著其中一個鏡面。另一個反射面作為加速度計的固定參考點，由一個固定的微制造凹面鏡組成。

　　兩個反射面以及它們之間的空隙一起形成一個腔體，剛好波長合適的紅外光可以在這兩個鏡子之間共振或來回反射，從而增強光的強度。波長是由兩個鏡子之間的距離決定的，就像彈撥吉他的音高取決于音品和琴橋之間的距離一樣。如果質量塊隨著加速度而移動，改變了鏡子之間的距離，共振波長也會改變。

　　為了高靈敏度地跟蹤腔體共振波長的變化，一個穩定的單頻激光器被鎖定在腔體上。正如最近發表在《光學快報》（Optics Letters）上的一篇文章所描述的那樣，研究人員還使用了一種光學頻率梳——一種可以用作測量光波長的尺子的裝置——來高準確度地測量腔長。尺子上的標記（梳齒）可以被認為是一系列具有等距波長的激光器。當質量塊在加速過程中移動時，腔變短或變長，反射光的強度會隨著梳齒的波長與腔共振的進出而變化。

　　準確地將質量塊的位移轉換成加速度是一個關鍵步驟，是大多數現有的光機械加速度計中一直存在的問題。然而，研究團隊的新設計確保了質量塊的位移和加速度之間的動態關系是簡單的，很容易通過物理學第一原理建模。簡而言之，質量塊和支撐梁的設計使它們表現得像一個簡單的彈簧，或諧振子，在加速度計的工作范圍內以單一頻率振動。

　　這種簡單的動態響應使科學家們能夠在寬范圍的加速度頻率（1千赫到20千赫）上實現低測量不確定度，而無需對裝置進行校準。這個特點是獨一無二的，因為所有的商業加速度計都必須進行校準，這既費時又花費昂貴。自從他們的研究發表在期刊《光學設計》（Optica）上以來，研究人員做了幾項改進，已經將裝置的不確定度降低到近1%。

　　光機械加速度計能夠感應到小于氫原子直徑十萬分之一的質量塊的位移，還能探測到微小至320億分之一g的加速度（g是地球重力的加速度）。這比現在市場上所有大小和頻寬都相同的加速度計的靈敏度還要高。

　　隨著進一步的改進，NIST的光機械加速度計可以作為一種便攜式的、高度準確的參考標準裝置來校準其他的加速度計，而不需要把它們帶進實驗室。