Революционный лазерный акселерометр: ультратонкий и ультраточный датчик движения

Автомобильная подушка безопасности срабатывает благодаря акселерометру — датчику, фиксирующему резкие изменения скорости. Акселерометры держат ракеты и самолеты на верном курсе, обеспечивают навигацию беспилотных автомобилей и поворачивают изображения на смартфонах и планшетах, выполняя множество других критически важных задач.

Группа исследователей разработала акселерометр толщиной в миллиметр, который использует лазерный свет вместо механического напряжения для генерации сигнала. Хотя существует несколько других оптических акселерометров, конструкция нового прибора делает процесс измерения более прямым, обеспечивая более высокую точность. Он также работает в более широком диапазоне частот и прошел более строгие испытания, чем аналогичные устройства.

Преимущества оптомеханического акселерометра

Оптомеханический акселерометр намного точнее лучших коммерческих аналогов и не требует трудоемкого процесса периодической калибровки. Более того, поскольку прибор использует лазерный свет известной частоты для измерения ускорения, он в конечном счете может служить переносным эталонным стандартом для калибровки других акселерометров на рынке, повышая их точность. Акселерометр также имеет потенциал для улучшения инерциальной навигации в таких критических системах, как военные самолеты, спутники и подводные лодки, особенно когда сигнал GPS недоступен.

Конструкция и принцип действия

Устройство состоит из двух кремниевых чипов: инфракрасный лазерный свет входит через нижний чип и выходит через верхний. Верхний чип содержит испытательную массу, подвешенную на кремниевых балках, что позволяет массе свободно двигаться вверх и вниз в ответ на ускорение. Зеркальное покрытие на испытательной массе и полусферическое зеркало, закрепленное на нижнем чипе, образуют оптический резонатор. Длина волны инфракрасного света подбирается так, чтобы она почти совпадала с резонансной длиной волны полости, что позволяет свету накапливать интенсиность, многократно отражаясь между двумя зеркальными поверхностями перед выходом. Когда устройство испытывает ускорение, испытательная масса смещается, меняя длину полости и сдвигая резонансную длину волны. Это изменяет интенсивность отраженного света. Оптический считыватель преобразует изменение интенсивности в измерение ускорения.

Чувствительность и перспективы

Оптомеханический акселерометр обнаруживает ускорения всего в 32 миллиардных долях g, где g — ускорение свободного падения. Это более высокая чувствительность, чем у других акселерометров сравниваемых размеров и полосы пропускания. С дальнейшими улучшениями устройство может стать переносным высокоточным эталонным прибором для калибровки других акселерометров без необходимости доставки их в лабораторию.