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當(dāng)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(jī)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(jìn)入，從頂部出來。頂部的硅片包含一個懸浮在硅梁上的質(zhì)量塊，這使得質(zhì)量塊可以在加速度的作用下自由上下移動。在質(zhì)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(xué)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(qiáng)光的強(qiáng)度。當(dāng)設(shè)備加速時，質(zhì)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(qiáng)度。光學(xué)讀出器會把強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)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(jī)保持在正確的飛行路線上，為自動駕駛汽車提供導(dǎo)航，旋轉(zhuǎn)圖像并使它們在手機(jī)和平板電腦上保持正面朝上，此外還有其他必需的任務(wù)。

現(xiàn)在，小型的導(dǎo)航系統(tǒng)和其他裝置對準(zhǔn)確測量加速度的需求日益增長，為此，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的研究人員開發(fā)出一種僅毫米厚的加速度計，其使用激光而不是機(jī)械應(yīng)變來產(chǎn)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(shè)計使測量過程更簡單，并具有更高的準(zhǔn)確度。與同類裝置相比，它的工作頻率范圍更廣，而且經(jīng)過了更嚴(yán)格的測試。

這種NIST裝置被稱為光機(jī)械加速度計，它不僅比最好的商業(yè)加速度計精確得多，而且不需要經(jīng)歷耗時的周期性校準(zhǔn)過程。事實(shí)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(biāo)準(zhǔn)來校準(zhǔn)目前市場上的其他加速度計，使它們更加準(zhǔn)確。

加速度計也可能改善諸如軍用飛機(jī)、衛(wèi)星和潛艇等關(guān)鍵系統(tǒng)的慣性導(dǎo)航，特別是當(dāng)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(xué)設(shè)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(jī)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(zhì)量塊，這使得質(zhì)量塊可以垂直移動。質(zhì)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(zhì)量塊和半球鏡一起形成一個光學(xué)腔。紅外線激光直接射入裝置。大多數(shù)頻率被完全反射。然而，與諧振頻率相匹配的光在腔內(nèi)形成，強(qiáng)度逐漸增加，直到腔內(nèi)透射的光強(qiáng)度與輸入的相匹配。在另一邊可以探測到由光學(xué)腔所透射的光。當(dāng)器件加速時，諧振腔的長度會發(fā)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(xué)技術(shù)和專業(yè)知識直接帶給商業(yè)、醫(yī)學(xué)、國防和學(xué)術(shù)界的用戶。

包括NIST新裝置在內(nèi)的加速度計，通過追蹤相對于裝置內(nèi)一個固定參考點(diǎn)的一個自由移動的塊體（稱為“質(zhì)量塊”）的位置來記錄速度的變化。只有當(dāng)加速度計減速、加速或改變方向時，質(zhì)量塊和參考點(diǎn)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?fàn)顟B(tài)或勻速運(yùn)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(zhì)量塊的運(yùn)動產(chǎn)生一個可檢測的信號。NIST的研究人員開發(fā)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(qū)域圍起來。質(zhì)量塊由一根只有人類頭發(fā)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(diǎn)，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(qiáng)光的強(qiáng)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(zhì)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(wěn)定的單頻激光器被鎖定在腔體上。正如最近發(fā)表在《光學(xué)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(xué)頻率梳——一種可以用作測量光波長的尺子的裝置——來高準(zhǔn)確度地測量腔長。尺子上的標(biāo)記（梳齒）可以被認(rèn)為是一系列具有等距波長的激光器。當(dāng)質(zhì)量塊在加速過程中移動時，腔變短或變長，反射光的強(qiáng)度會隨著梳齒的波長與腔共振的進(jìn)出而變化。

準(zhǔn)確地將質(zhì)量塊的位移轉(zhuǎn)換成加速度是一個關(guān)鍵步驟，是大多數(shù)現(xiàn)有的光機(jī)械加速度計中一直存在的問題。然而，研究團(tuán)隊的新設(shè)計確保了質(zhì)量塊的位移和加速度之間的動態(tài)關(guān)系是簡單的，很容易通過物理學(xué)第一原理建模。簡而言之，質(zhì)量塊和支撐梁的設(shè)計使它們表現(xiàn)得像一個簡單的彈簧，或諧振子，在加速度計的工作范圍內(nèi)以單一頻率振動。

這種簡單的動態(tài)響應(yīng)使科學(xué)家們能夠在寬范圍的加速度頻率（1千赫到20千赫）上實(shí)現(xiàn)低測量不確定度，而無需對裝置進(jìn)行校準(zhǔn)。這個特點(diǎn)是獨(dú)一無二的，因?yàn)樗械纳虡I(yè)加速度計都必須進(jìn)行校準(zhǔn)，這既費(fèi)時又花費(fèi)昂貴。自從他們的研究發(fā)表在期刊《光學(xué)設(shè)計》（Optica）上以來，研究人員做了幾項改進(jìn)，已經(jīng)將裝置的不確定度降低到近1%。

光機(jī)械加速度計能夠感應(yīng)到小于氫原子直徑十萬分之一的質(zhì)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(xiàn)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(jìn)一步的改進(jìn)，NIST的光機(jī)械加速度計可以作為一種便攜式的、高度準(zhǔn)確的參考標(biāo)準(zhǔn)裝置來校準(zhǔn)其他的加速度計，而不需要把它們帶進(jìn)實(shí)驗(yàn)室。