Акселерометр на основе лазерного излучения

Автомобильная подушка безопасности срабатывает благодаря акселерометру — датчику, обнаруживающему внезапные изменения скорости. Акселерометры удерживают ракеты и самолеты на правильной траектории полета, обеспечивают навигацию для беспилотных автомобилей и поворачивают изображения так, чтобы они оставались правильной стороной на мобильных телефонах и планшетах, а также выполняют другие важные задачи.

Группа исследователей разработала акселерометр толщиной в миллиметр, который использует лазерный свет вместо механического напряжения для получения сигнала. Хотя некоторые другие акселерометры также используют свет, конструкция нового прибора упрощает процесс измерения и обеспечивает более высокую точность. Он также работает в более широком диапазоне частот и прошел более строгие испытания, чем аналогичные устройства.

Оптомеханический акселерометр намного точнее лучших коммерческих акселерометров и не требует длительной периодической калибровки. Фактически, поскольку прибор использует лазерный свет известной частоты для измерения ускорения, он может в конечном итоге служить портативным эталоном для калибровки других акселерометров, имеющихся сейчас на рынке, что делает их более точными. Акселерометр также может улучшить инерциальную навигацию в таких важных системах, как военные самолеты, спутники и подводные лодки, особенно когда сигнал GPS недоступен.

Устройство состоит из двух кремниевых чипов с инфракрасным лазерным излучением, входящим через нижний чип и выходящим через верхний. Верхний чип содержит контрольную массу, подвешенную на кремниевых балках, что позволяет массе свободно перемещаться вверх и вниз в ответ на ускорение. Зеркальное покрытие на пробной массе и полусферическое зеркало, прикрепленное к нижнему чипу, образуют оптический резонатор. Длина волны инфракрасного света выбирается таким образом, чтобы она почти соответствовала резонансной длине волны резонатора, что позволяет свету нарастать по интенсивности, когда он много раз отскакивает назад и вперед между двумя зеркальными поверхностями, прежде чем выйти. Когда устройство испытывает ускорение, пробная масса перемещается, изменяя длину полости и сдвигая резонансную длину волны. Это изменяет интенсивность отраженного света. Оптический датчик преобразует изменение интенсивности в измерение ускорения.

Оптомеханический акселерометр регистрирует такие крошечные ускорения, как 32 миллиардных g, где g — ускорение, вызванное гравитацией Земли. Это более высокая чувствительность, чем у других акселерометров, представленных сейчас на рынке, с аналогичными размерами и полосой пропускания. С дальнейшими улучшениями это устройство можно будет использовать в качестве портативного высокоточного эталонного устройства для калибровки других акселерометров, не принося их в лабораторию.