试想这样的场景：驾驶员以最高限速行驶在双车道上，一辆车突然从右侧车道冲出，他猛踩刹车，在撞击瞬间，安全气囊弹出，使其免受重伤或死亡。
安全气囊能够及时弹出，得益于“加速度计”——一种检测速度突变的传感器。加速度计帮助火箭和飞机保持正确的飞行路线，能为自动驾驶汽车提供导航，在手机和平板电脑上进行其他任务时能够旋转图像，保持右侧朝上。
为满足日益增长的对小型导航系统和其他设备中精确测量加速度的需求，美国国家标准与技术研究所（NIST）的研究人员开发了一种厚度为毫米级的加速度计，该加速度计不使用机械应变，而是使用激光来产生信号。尽管加速度计依赖于光，但NIST的仪器设计能够简化测量过程，且精度更高，工作频率更宽，并且测试工作比同类设备更严格。
NIST设备被称为光机加速度计，它不仅比最好的商用加速度计精确，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，它最终可能作为便携式参考标准来校准目前市场上的其他加速度计。
加速计也可用于改善诸如军用飞机、卫星和潜艇等关键系统的惯性导航，尤其在没有GPS信号的情况下。NIST研究人员Jason Gorman、Thomas LeBrun、David Long及其同事在《光学》上发表了他们的研究成果。
图片来源：F. Zhou/NIST
利用光测量加速度的光机加速度计如图所示。NIST设备由两个硅芯片组成，红外激光从芯片底部进入，从顶部射出。芯片顶部包含一个由硅梁悬挂的质量块，使质量能够根据加速度的变化上下自由移动。质量块上的镜像涂层和附在芯片底部的半球镜形成光学腔。选择与腔体的谐振波长相匹配波长的红外光，使光在两个镜像表面之间来回反射多次后，增强强度。当装置检测到加速度变化时，质量块移动，改变空腔长度并移动谐振波长，这会改变反射光的强度。光学读数将强度的变化转化为加速度的测量。
这项研究是NIST芯片项目的一部分，该项目将为商业、医学、国防和学术界用户直接展示尖端测量科学技术和专业知识。
加速度计的原理是通过追踪自由移动的质量块相对于设备内的一个固定参考点的位置来记录速度的变化。只有当加速计减速、加速或改变方向时，质量块和参考点之间的距离才会改变。如果你是车上的乘客，也是这样。如果汽车静止或匀速行驶，你和仪表板之间的距离保持不变。同样的道理也适用于坐车的乘客。如果汽车静止或匀速行驶，乘客和仪表板之间的距离保持不变。但是如果汽车突然刹车，乘客就会被抛向前方，和仪表板之间的距离就会减小。
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，这两个表面将一小块空白区域锁定起来。质量块由一根只有人类头发五分之一宽的柔性梁悬挂，可以自由移动，它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，由一个固定的微型凹面镜组成。两个反射面及其之间的空隙共同形成一个腔体，在该腔体中，适当波长的红外光可以在反射镜之间共振或来回反射，从而增强强度。该波长由两个反射镜之间的距离决定，就像弹拨吉他的音高取决于吉他的琴面和琴桥之间的距离一样。如果质量块响应于加速度而移动，从而改变反射镜之间的距离，那么谐振波长也会发生变化。
为了高灵敏度地跟踪谐振腔谐振波长的变化，将稳定的单频激光器锁定在谐振腔上。正如最近出版的《光学快报》所述，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标尺）来高精度测量腔长。尺子的标记（梳子的齿）可以被认为是一系列波长间隔相等的激光器。当验证质量在加速期间移动时，无论是缩短还是延长空腔，反射光的强度都会随着与梳齿相关的波长与空腔共振的进出而变化。
准确地将验证质量的位移转换为加速度是一个关键步骤，是目前一直存在问题。如今，NIST研究小组的新设计确保了质量块的位移和加速度之间的动态关系更为简单，很容易通过物理第一原理进行建模。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无需校准设备即可在加速度频率范围（1kHz～20kHz）内测量不确定度较低。所有商用加速度计都必须进行校准，既耗时又昂贵，这项功能是较为独特的。自研究结果发表后，研究人员已对新型加速度计做了一些改进，将加速度计的不确定度降低到近1%。
光机加速度计能够检测到质量块小于氢原子直径十万分之一的位移，因此它能探测到微小至320亿分之一个g（g是重力加速度）的加速度，该灵敏度比目前市场上所有尺寸和带宽相近的加速度计都要高。
随着进一步的改进，NIST的新型光学机械加速度计可以用作便携式、高精度的参考设备来校准其他加速度计。
