NIST的光机械加速测量方法

　　当你在一条双车道的路上以限速行驶时，一辆汽车突然从你右边的车道上冲出。你猛踩刹车，在撞击的瞬间，安全气囊就会膨胀，让你免受伤亡。

　　光机械加速度计的图示，它使用光来测量加速度。这款由NIST研制的装置由两块硅片组成，红外激光从底部硅片进入，从顶部出来。顶部的硅片包含一个悬浮在硅梁上的质量块，这使得质量块可以在加速度的作用下自由上下移动。在质量块上的镜像涂层和附在底部硅片上的半球形镜子形成一个光学腔。选择红外光的波长，使其几乎与谐振腔的波长相匹配，使光在两个镜面之间来回反射许多次，然后离开，从而增强光的强度。当设备加速时，质量块会移动，从而改变谐振腔的长度并变换共振波长。这改变了反射光的强度。光学读出器会把强度的变化转化为对加速度的测量。

　　安全气囊的展开得益于加速度计——一种可以检测到速度突然变化的传感器。加速度计还让火箭和飞机保持在正确的飞行路线上，为自动驾驶汽车提供导航，旋转图像并使它们在手机和平板电脑上保持正面朝上，此外还有其他必需的任务。

　　现在，小型的导航系统和其他装置对准确测量加速度的需求日益增长，为此，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员开发出一种仅毫米厚的加速度计，其使用激光而不是机械应变来产生信号。

　　虽然其他一些加速度计也依赖于光，但这款NIST装置的设计使测量过程更简单，并具有更高的准确度。与同类装置相比，它的工作频率范围更广，而且经过了更严格的测试。

　　这种NIST装置被称为光机械加速度计，它不仅比最好的商业加速度计精确得多，而且不需要经历耗时的周期性校准过程。事实上，由于该仪器使用已知频率的激光来测量加速度，它最终可能作为一种便携式参考标准来校准目前市场上的其他加速度计，使它们更加准确。

　　加速度计也可能改善诸如军用飞机、卫星和潜艇等关键系统的惯性导航，特别是当GPS信号不可用时。NIST的研究人员Jason Gorman, Thomas LeBrun, David Long和他们的同事们在期刊《光学设计》（Optica）上介绍了他们的工作成果。

　　这个视频演示了一个新加速度计的工作原理。这种光机械加速度计由两块硅片组成。第一块硅片有一个悬浮在一组硅梁上的质量块，这使得质量块可以垂直移动。质量块的顶部有一层镜面涂层。第二块硅片嵌入了一个半球形镜子。质量块和半球镜一起形成一个光学腔。红外线激光直接射入装置。大多数频率被完全反射。然而，与谐振频率相匹配的光在腔内形成，强度逐渐增加，直到腔内透射的光强度与输入的相匹配。在另一边可以探测到由光学腔所透射的光。当器件加速时，谐振腔的长度会发生变化，从而改变谐振频率。通过不断地将激光与谐振腔的频率匹配，研究人员可以确定装置的加速度。

　　这项研究是“片上NIST”（NIST on a Chip）研究项目的一部分，该项目将研究院的尖端测量科学技术和专业知识直接带给商业、医学、国防和学术界的用户。

　　包括NIST新装置在内的加速度计，通过追踪相对于装置内一个固定参考点的一个自由移动的块体（称为“质量块”）的位置来记录速度的变化。只有当加速度计减速、加速或改变方向时，质量块和参考点之间的距离才会改变。同样的道理也适用于车上的乘客。如果汽车处于静止状态或匀速运动，你和仪表盘之间的距离保持不变。但如果汽车突然刹车，你就会被往前抛，你和仪表盘之间的距离就会减少。

　　质量块的运动产生一个可检测的信号。NIST的研究人员开发的加速度计依靠红外光来测量两个高度反射的表面之间距离的变化，这两个表面如书挡一般将一小块空白区域围起来。质量块由一根只有人类头发丝五分之一宽的柔性梁悬空，可以自由移动，支撑着其中一个镜面。另一个反射面作为加速度计的固定参考点，由一个固定的微制造凹面镜组成。

　　两个反射面以及它们之间的空隙一起形成一个腔体，刚好波长合适的红外光可以在这两个镜子之间共振或来回反射，从而增强光的强度。波长是由两个镜子之间的距离决定的，就像弹拨吉他的音高取决于音品和琴桥之间的距离一样。如果质量块随着加速度而移动，改变了镜子之间的距离，共振波长也会改变。

　　为了高灵敏度地跟踪腔体共振波长的变化，一个稳定的单频激光器被锁定在腔体上。正如最近发表在《光学快报》（Optics Letters）上的一篇文章所描述的那样，研究人员还使用了一种光学频率梳——一种可以用作测量光波长的尺子的装置——来高准确度地测量腔长。尺子上的标记（梳齿）可以被认为是一系列具有等距波长的激光器。当质量块在加速过程中移动时，腔变短或变长，反射光的强度会随着梳齿的波长与腔共振的进出而变化。

　　准确地将质量块的位移转换成加速度是一个关键步骤，是大多数现有的光机械加速度计中一直存在的问题。然而，研究团队的新设计确保了质量块的位移和加速度之间的动态关系是简单的，很容易通过物理学第一原理建模。简而言之，质量块和支撑梁的设计使它们表现得像一个简单的弹簧，或谐振子，在加速度计的工作范围内以单一频率振动。

　　这种简单的动态响应使科学家们能够在宽范围的加速度频率（1千赫到20千赫）上实现低测量不确定度，而无需对装置进行校准。这个特点是独一无二的，因为所有的商业加速度计都必须进行校准，这既费时又花费昂贵。自从他们的研究发表在期刊《光学设计》（Optica）上以来，研究人员做了几项改进，已经将装置的不确定度降低到近1%。

　　光机械加速度计能够感应到小于氢原子直径十万分之一的质量块的位移，还能探测到微小至320亿分之一g的加速度（g是地球重力的加速度）。这比现在市场上所有大小和频宽都相同的加速度计的灵敏度还要高。

　　随着进一步的改进，NIST的光机械加速度计可以作为一种便携式的、高度准确的参考标准装置来校准其他的加速度计，而不需要把它们带进实验室。