光力学加速度计优于同类仪器

激光驱动的加速度计（一种检测速度突然变化的传感器）与同类的非光学仪器相比，它可以在更大频率范围内工作，并且精度更高。NIST的研究人员开发了光力学加速计器件，它厚度为1毫米，利用光作为活化器，绕过了对机械应力的依赖。研究人员说，这个器件不需要周期性的校准。虽然其它光动力加速度计已经问世，但是NIST设计提供的精度高于类似的同类型仪器。

所有加速度计都通过跟踪惯性质量或自由移动质量的位置来记录速度变化，相对于加速度计内部的不动参考点。只有当加速度计改变速度或方向时，惯性质量和参考点之间的距离才会改变。例如，在以恒定速度行驶的车辆中，乘客与仪表盘之间的距离保持不变。但是，如果汽车突然刹车，乘客会向前移动，那么距离就会发生变化。

在运动中，惯性质量会生成一个可检测的信号，加速计可以感知到这个信号。NIST的研究人员使用红外激光来测量两个高度反射的表面之间的距离差异。他们用人类头发宽度的五分之一的柔性光束来悬挂惯性质量。如果自由质量自由的移动，它支撑了其中一个镜面。另一个反射表面由不可移动的微型加工的凹面镜组成，用作固定参考点。由表面和自由空间的物理机制形成了一个空腔，红外光以精确的波长产生共振或来回反射，这个波长由反射镜之间的距离决定。这形成了一定的光强度; 如果惯性质量因加速度而移动，改变反射镜之间的分离，则共振波长也会发生变化。研究人员使用稳定的单频激光，把它锁定在腔内，以高的灵敏度来跟踪谐振波长的任何变化。这与光学频率梳一起，使他们能够以高的精度测量空腔内的光。

NIST器件由两个硅芯片组成，红外激光从芯片底部进入并从顶部退出。顶部芯片包含由硅光束悬浮的惯性质量，使质量能够随着加速度而自由上下移动。惯性质量上的镜面涂层和连接到底部芯片的半球面镜形成光腔。当器件被加速时，惯性质量会移动，改变腔的长度并将谐振波长偏移。这改变了反射光的强度。光学读数将强度的变化转换为加速度测量。周/NIST供图。

当惯性质量由于加速度而移动时，这改变了空腔的长度。当与频率梳齿相关的波长随空腔的共振而变化时，反射光的强度也随之变化。该设计确保了惯性质量和支撑梁充当谐波振荡器或简单的弹簧，在加速度计的运行范围内单个频率会发生振动。研究人员说，将惯性质量的位移变化转化为加速度是困扰现有光力学加速计的一个难题。

在测试中，加速度计使工程团队能够跨越从1到20 kHz的最小测量不确定性的加速度频率。他们不需要校准仪器。该器件目前的迭代功能能够感应到直径小于氢原子直径10万分之一惯性质量的位移。它探测到的加速度小至g的320亿分之一（其中"g"是地球引力的加速度）。

研究小组说，进一步的改进将使光力学加速度计作为便携式高精度参考器件使用，用于校准实验室设置以外的其它加速度计。NIST的研究人员Jason Gorman, Thomas LeBrun, David Long 以及其同事把这项研究发表在《Optica》上。(www.doi.org/10.1364/OPTICA.413117).