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    國(guó)外光力學(xué)加速度計(jì)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

    2021-09-04 07:44:52劉驊鋒焦世民涂良成
    導(dǎo)航與控制 2021年3期
    關(guān)鍵詞:微腔振子加速度計(jì)

    劉驊鋒, 焦世民, 涂良成,3

    (1.華中科技大學(xué)物理學(xué)院引力中心,武漢 430074;2.重力導(dǎo)航教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430074;3.中山大學(xué)物理與天文學(xué)院天琴中心,珠海 519082)

    0 引言

    加速度計(jì)作為測(cè)量載體線性加速度的器件,在消費(fèi)電子、工業(yè)、國(guó)防、航空航天和資源勘探等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。目前,加速度計(jì)的類型主要有擺式積分陀螺加速度計(jì)、撓性擺式加速度計(jì)、石英振梁式加速度計(jì)、硅微機(jī)械加速度計(jì)、微光學(xué)加速度計(jì)、原子加速度計(jì)和光力學(xué)加速度計(jì)等,各類加速度計(jì)的技術(shù)成熟度和可能達(dá)到的精度如圖1所示。擺式積分陀螺加速度計(jì)的精度為10-8g~10-5g(量級(jí)),是技術(shù)成熟且精度最高的機(jī)械式加速度計(jì),但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積及質(zhì)量大、成本高,目前應(yīng)用于遠(yuǎn)程戰(zhàn)略導(dǎo)彈和大型運(yùn)載火箭的慣性制導(dǎo)系統(tǒng)[1]。撓性擺式加速度計(jì)和石英振梁加速度計(jì)是目前主流的工程應(yīng)用加速度計(jì),撓性擺式加速度計(jì)包括石英、金屬和硅基撓性加速度計(jì),具有體積小和精度高的優(yōu)點(diǎn),精度為10-6g~10-3g(量級(jí)),主要應(yīng)用于海陸空導(dǎo)航和戰(zhàn)術(shù)級(jí)至導(dǎo)航級(jí)導(dǎo)彈制導(dǎo)等領(lǐng)域;石英振梁加速度計(jì)抗環(huán)境噪聲能力較強(qiáng),精度較石英撓性加速度計(jì)稍高,可應(yīng)用于導(dǎo)航級(jí)慣性系統(tǒng)[2]。微機(jī)電(Micro Electro Mechanical System,MEMS)加速度計(jì)具有體積小、成本低和集成化度高的優(yōu)點(diǎn),按照傳感方式主要分為壓阻式、壓電式、電容式、熱對(duì)流式、諧振式和隧道電流式等。高精度的MEMS加速度計(jì)已有成熟產(chǎn)品的精度為10-4g~10-3g(量級(jí)),可基本滿足戰(zhàn)術(shù)級(jí)需求,已在國(guó)外武器系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。MEMS諧振式加速度計(jì)的精度已經(jīng)達(dá)到10-6g(量級(jí)),但還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段[3]。目前,成熟的加速度計(jì)產(chǎn)品精度從高到低依次是積分陀螺加速度計(jì)、石英振梁加速度計(jì)、撓性擺式加速度計(jì)和MEMS加速度計(jì),已經(jīng)覆蓋了目前絕大部分的應(yīng)用場(chǎng)景。但是,歐美多國(guó)仍在大量投入研發(fā)具有更高精度潛力的下一代加速度計(jì),主要是基于光學(xué)效應(yīng)、量子效應(yīng)(物質(zhì)波干涉)和光力耦合效應(yīng)等的新型高精度加速度計(jì)。

    圖1 各類加速度計(jì)的技術(shù)成熟度和精度Fig.1 Technology readiness leveland accuracy of accelerometers with different types

    隨著硅光集成技術(shù)的快速發(fā)展,融合光學(xué)效應(yīng)傳感和微加工技術(shù)的微光學(xué)加速度計(jì)(Micro Optical Electro Mechanical System,MOEMS)獲得了快速發(fā)展。與傳統(tǒng)加速度計(jì)相比,微光學(xué)加速度計(jì)具有體積小、精度高和抗電磁干擾的優(yōu)點(diǎn),主要分為微納光纖環(huán)式、亞波長(zhǎng)諧振式、光波導(dǎo)光強(qiáng)檢測(cè)式、微結(jié)構(gòu)光柵式和光纖F-P腔式等,有望用于中、高精度慣性導(dǎo)航領(lǐng)域[4]。原子干涉(量子)加速度計(jì)是利用物質(zhì)波干涉技術(shù)的新型慣性器件,利用激光冷卻操控原子分束、合束發(fā)生干涉,通過冷原子團(tuán)自由落體時(shí)間測(cè)量加速度。原子干涉加速度計(jì)具有超高的長(zhǎng)期穩(wěn)定性,精度可以達(dá)到10-9g(量級(jí))[5]。近年來,有學(xué)者提出基于光力懸浮微球介質(zhì)的懸浮光力學(xué)加速度計(jì)和基于光場(chǎng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)相互耦合的腔光力學(xué)加速度計(jì)[6-7]。光力學(xué)加速度計(jì)具有前所未有的測(cè)量精度,可接近甚至突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限,是與原子干涉加速度計(jì)精度相當(dāng)?shù)南乱淮呔燃铀俣扔?jì),發(fā)展?jié)摿薮骩8]。本文將詳細(xì)介紹光力學(xué)加速度計(jì)的原理、特征及國(guó)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。

    1 光力學(xué)加速度計(jì)

    光力學(xué)加速度計(jì)因高極限精度、微型化和可集成的優(yōu)勢(shì)而被關(guān)注。但是,早期的光力學(xué)系統(tǒng)難于同時(shí)實(shí)現(xiàn)具有高光學(xué)精細(xì)度和高機(jī)械Q值的微腔結(jié)構(gòu),從而限制了系統(tǒng)靈敏度。隨著光學(xué)微腔的快速發(fā)展和微納加工工藝的逐漸成熟,高品質(zhì)因數(shù)光學(xué)微腔與微機(jī)械振子的耦合得以實(shí)現(xiàn)。目前,光力學(xué)加速度計(jì)根據(jù)原理可分為光阱懸浮式和光學(xué)微腔式兩類[9],下面進(jìn)行詳細(xì)地介紹。

    1.1 光阱懸浮光力學(xué)加速度計(jì)

    自1971年Ashkin等[10]實(shí)現(xiàn)了激光懸浮微米小球的光鑷技術(shù)以來,懸浮光力學(xué)被廣泛應(yīng)用在精密測(cè)量領(lǐng)域,尤其是對(duì)力、位移和加速度等基礎(chǔ)物理量的精密測(cè)量。光阱懸浮光力學(xué)加速度計(jì)的原理為:利用激光光束懸浮微粒介質(zhì)形成光阱,通過調(diào)節(jié)激光光功率反饋控制懸浮體使其處于平衡位置,從而實(shí)現(xiàn)加速度閉環(huán)測(cè)量。根據(jù)束縛微粒光束的數(shù)目,可以分為單光束光阱、雙光束光阱和多光束光阱。

    2008年,美國(guó)麻省理工學(xué)院的Butts等[6]在真空腔中利用單光束激光懸浮10μm直徑的玻璃微球,其原理如圖2所示。懸浮光束用以懸浮微球,通過光電探測(cè)器收集微球散射的光從而實(shí)現(xiàn)微球位置測(cè)量,經(jīng)過閉環(huán)反饋控制微球的平衡狀態(tài),初步實(shí)現(xiàn)了119μg/Hz1/2的加速度本底噪聲水平,但理論極限可小于100ng/Hz1/2。該方案的難點(diǎn)在于微球加工以及需要高真空環(huán)境、高穩(wěn)定性光源和高分辨率光電探測(cè)器等。2011年,該團(tuán)隊(duì)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案,使用雙光束懸浮系統(tǒng),在一定程度上提高了加速度計(jì)的零偏穩(wěn)定性,但加速度噪聲水平并沒有降低,為500μg/Hz1/2[11]。

    圖2 美國(guó)麻省理工學(xué)院的單光束光阱懸浮加速度計(jì)Fig.2 Single beam opticaltrap suspension accelerometer developed by MIT

    2017年,美國(guó)耶魯大學(xué)的Monteiro等[12]報(bào)道了一款單光束光阱加速度計(jì)系統(tǒng),其原理如圖3所示。該系統(tǒng)采用1064nm的激光懸浮微球,且懸浮位置可用懸浮光束的功率進(jìn)行調(diào)節(jié),懸浮微球的位置變化通過額外加入的兩束532nm光束測(cè)量,可實(shí)現(xiàn)XYZ三維的位移測(cè)量,最終對(duì)質(zhì)量為12ng的二氧化硅微球進(jìn)行懸浮,實(shí)現(xiàn)了0.4μg/Hz1/2的加速度噪聲水平,是目前噪聲最低的光懸浮加速度計(jì)。

    圖3 美國(guó)耶魯大學(xué)的單光束光阱懸浮系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of single beam opticaltrap suspension system developed by Yale University

    2018年,美國(guó)斯坦福大學(xué)的Blakemore等[13]同樣使用了單光束懸浮系統(tǒng),懸浮直徑4.8μm的二氧化硅微球,使用光學(xué)外差法測(cè)量微球的三維位置,最終噪聲水平為7.5μg/Hz1/2。

    1.2 腔光力學(xué)加速度計(jì)

    腔光力學(xué)加速度計(jì)的原理為:光場(chǎng)與機(jī)械振子之間動(dòng)量傳遞導(dǎo)致機(jī)械振子的位移與光場(chǎng)的諧振頻率相互耦合。光力耦合越強(qiáng)的系統(tǒng),光場(chǎng)的諧振頻率對(duì)振子的位移越敏感,光力學(xué)耦合率由系統(tǒng)的相互作用Hamilton方程導(dǎo)出[14]。因此,在高精度加速度傳感應(yīng)用中,腔光力學(xué)系統(tǒng)一般需具備極小的模式體積和極高的品質(zhì)因數(shù)。前者表示微腔對(duì)光子在空間上的約束,保證大的光力學(xué)耦合率;后者是微腔對(duì)光子在時(shí)間上的約束,與機(jī)械振動(dòng)的傳感靈敏度成比例。腔光力學(xué)在傳感領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),其一是腔內(nèi)光子能量非常高,其熱效應(yīng)可以忽略不計(jì);其二是現(xiàn)有的激光器噪聲很低,低至量子噪聲極限[15]。

    典型的腔光力學(xué)系統(tǒng)如圖4(a)所示,在加速度傳感中,機(jī)械振子運(yùn)動(dòng)引起的相位波動(dòng)與腔內(nèi)光場(chǎng)的強(qiáng)度波動(dòng)線性耦合的條件是激光頻率與腔共振頻率失諧匹配,而這種失諧在不同條件下會(huì)產(chǎn)生兩種有趣的現(xiàn)象,即動(dòng)態(tài)反作用和光學(xué)彈簧效應(yīng)[15-17],如圖4(b)所示。光力學(xué)加速度傳感系統(tǒng)采用紅失諧鎖定方案,即激光波長(zhǎng)紅失諧腔共振波長(zhǎng),此情況下,動(dòng)態(tài)反作用使腔內(nèi)輻射壓冷卻機(jī)械振子從而降低布朗運(yùn)動(dòng);光學(xué)彈簧效應(yīng)使彈簧剛度降低,從而降低彈簧-振子系統(tǒng)本征頻率[7]。因此,在腔光力學(xué)加速度計(jì)中,光力學(xué)現(xiàn)象能夠有效降低機(jī)械熱噪聲。

    圖4 典型腔光力學(xué)系統(tǒng)作用原理圖和光力學(xué)現(xiàn)象Fig.4 Working principle and phenomenon of a typical cavity optomechanicalsystem

    根據(jù)微腔的不同,基于腔光力學(xué)原理的加速度計(jì)可以分為光子晶體(Photonic Crystal,PC)腔、回音壁模式(Whispering Gallery-Mode,WGM)腔和法布里-珀羅(Fabry-Perot,F(xiàn)P)腔三種類型的腔光力學(xué)加速度計(jì),下面進(jìn)行分別介紹。

    (1)光子晶體腔光力學(xué)加速度計(jì)

    光子晶體是人為構(gòu)建的周期性排列的不同折射率的介質(zhì)結(jié)構(gòu),對(duì)特定波長(zhǎng)的光子起到禁帶作用,使其不能在介質(zhì)中傳播,當(dāng)介質(zhì)的周期性出現(xiàn)一些缺陷時(shí),形成一些局域的電磁場(chǎng)模式[18]。

    2012年,美國(guó)加州理工學(xué)院的Painter等[7]首次報(bào)道了一款腔光力學(xué)加速度計(jì),其利用圖5(a)所示的“拉鏈?zhǔn)健惫庾泳w對(duì)光極高的限制能力使得光學(xué)共振頻率對(duì)振子的機(jī)械運(yùn)動(dòng)非常靈敏,在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)量子極限的位移探測(cè)。作為一款加速度計(jì),當(dāng)質(zhì)量塊感受到外界加速度變化時(shí),光子晶體拉鏈腔的間隔會(huì)改變,從而導(dǎo)致微腔內(nèi)光場(chǎng)的諧振頻率發(fā)生變化,最終改變了透射光的強(qiáng)度。在圖5(b)所示的測(cè)試系統(tǒng)中,初步實(shí)現(xiàn)了10μg/Hz1/2加速度噪聲水平,帶寬優(yōu)于20kHz,動(dòng)態(tài)范圍優(yōu)于40dB。2020年,美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校的Wong等[19]采用相似的光子晶體結(jié)構(gòu),利用腔光力學(xué)光學(xué)彈簧效應(yīng)進(jìn)行傳感,原理同圖4(b)所示,把機(jī)械振子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的共振波長(zhǎng)的變化轉(zhuǎn)化為機(jī)械本征頻率的變化,其優(yōu)點(diǎn)是提高了信噪比和分辨率,實(shí)驗(yàn)測(cè)量的加速度噪聲為8.2μg/Hz1/2。

    圖5 光子晶體微腔和光子晶體加速度計(jì)測(cè)試系統(tǒng)Fig.5 Structure and system of photonic crystalcavity optomechanicalaccelerometer

    (2)回音壁微腔光力學(xué)加速度計(jì)

    回音壁模式(WGM)微腔的原理為:短波長(zhǎng)的光子在回音壁微腔內(nèi)表面通過全反射沿著微腔壁傳播,當(dāng)回音壁微腔的周長(zhǎng)等于光波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí),形成穩(wěn)定的諧振。傳感原理是利用微腔外部或內(nèi)部的某種特性變化,相應(yīng)地改變共振頻率的線寬、強(qiáng)度和大小。內(nèi)部特性傳感主要是改變光程,如改變腔的形狀或腔內(nèi)的折射率進(jìn)行傳感。最簡(jiǎn)單的是改變微腔與波導(dǎo)之間的耦合間隙作為傳感機(jī)制,即回音壁微腔光力學(xué)加速度計(jì)的傳感方式[20]。

    回音壁模式微腔主要分為微球腔、微盤腔和微芯環(huán)腔三類,如圖6所示。此外,還有微環(huán)腔、微管腔等。回音壁模式微腔對(duì)品質(zhì)因數(shù)要求極高,微球腔尺寸一般在微米(μm)量級(jí)以上,其Q值在105(量級(jí));微盤腔尺寸一般在幾到幾十微米量級(jí),Q值在106(量級(jí));微芯環(huán)腔是在微盤腔的基礎(chǔ)上用激光回流工藝加工,Q值在108~109(量級(jí))[21]。超高的Q值使這些光學(xué)回音壁模式微腔具有超高的光學(xué)精細(xì)度,有望實(shí)現(xiàn)高精度加速度測(cè)量。

    圖6 三種回音壁模式微腔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure diagram of WGM microcavity in three kinds

    微球腔制作簡(jiǎn)單,易于集成,國(guó)外研究起步較早。2001年,美國(guó)麻省理工學(xué)院的Laine等[20]發(fā)表了關(guān)于微球腔加速度傳感的研究,利用回音壁微球腔與光波導(dǎo)之間的耦合間隙變化作為傳感機(jī)理,原理如圖7(a)所示。懸臂梁結(jié)構(gòu)的微球腔同時(shí)作為光學(xué)諧振腔和慣性質(zhì)量塊,懸臂梁對(duì)加速度作出響應(yīng),改變光波導(dǎo)與微球腔的倏逝場(chǎng)耦合距離,最終通過檢測(cè)輸出光場(chǎng)得到所測(cè)加速度。實(shí)驗(yàn)上測(cè)得的噪聲本底為100μg/Hz1/2,精度優(yōu)于1mg。2018年,倫敦大學(xué)學(xué)院的Li等[22]研制了一款基于回音壁微球腔的光力學(xué)加速度計(jì),微球腔與錐形光纖的耦合及實(shí)驗(yàn)原理如圖7(b)所示。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試,微球腔光力學(xué)加速度計(jì)的噪聲本底為4.5μg/Hz1/2,零偏不穩(wěn)定性為31.8μg。

    圖7 美國(guó)麻省理工學(xué)院和倫敦大學(xué)學(xué)院的微球腔光力學(xué)加速度計(jì)Fig.7 Microsphere optomechanicalaccelerometers developed by MIT and UCL

    微盤腔品質(zhì)因數(shù)較微球腔高,但是其微盤邊緣加工難度較高。2018年,法國(guó)格勒諾布爾大學(xué)的Hentz等[23]采用MEMS工藝制作大尺度集成光力學(xué)硅微盤腔,如圖8所示。其具有最高水準(zhǔn)的光學(xué)Q值和光力學(xué)耦合率,微盤腔布朗運(yùn)動(dòng)噪聲達(dá)到10-17m/Hz1/2,有望用于高精度光力學(xué)慣性傳感器。

    圖8 法國(guó)格勒諾布爾大學(xué)的微盤腔光力學(xué)系統(tǒng)原理圖Fig.8 Schematic diagram of micro-disc cavity optomechanicalsystem developed by UGA

    微芯環(huán)腔是在微盤腔的基礎(chǔ)上用激光熱回流燒制得到的,其光學(xué)和力學(xué)品質(zhì)因數(shù)都極高。2009年,瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的Kippenberg等[24]設(shè)計(jì)了一種特殊的結(jié)構(gòu),如圖9所示,納米弦機(jī)械振子與環(huán)形光學(xué)微腔通過倐逝場(chǎng)耦合。這種特殊結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是把光學(xué)模式和力學(xué)模式完全分離開來,同時(shí)保持較高的光學(xué)Q值和較高的機(jī)械Q值,避免給光學(xué)微腔引入損耗。此外,納米機(jī)械振子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)呈多樣性。該組使用了納米弦作為機(jī)械振子,對(duì)納米機(jī)械的布朗運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測(cè)試,實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于10-15m/Hz1/2位移測(cè)量噪聲,測(cè)量不確定度第一次達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)量子極限。此外,實(shí)驗(yàn)中也觀察到了輻射壓動(dòng)態(tài)反作用。

    圖9 微芯環(huán)腔光力學(xué)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.9 Experiment schematic diagram of microtoroid cavity optomechanicalsystem

    回音壁模式微腔因其較高的Q值和較小的模式體積,只需輸入較小功率就可以產(chǎn)生較強(qiáng)的光力相互作用,其輸出光譜具有很高的精細(xì)度,因此非常適用于微機(jī)械運(yùn)動(dòng)傳感。作為位移傳感器,其具有很高的靈敏度,有望應(yīng)用于高精度光力學(xué)慣性傳感器。

    (3)法布里-珀羅腔光力學(xué)加速度計(jì)

    法布里-珀羅(F-P)腔光力學(xué)加速度計(jì)是一種模型簡(jiǎn)單且具有高光學(xué)精細(xì)度的加速度計(jì),其利用一個(gè)固定微鏡和一個(gè)可移動(dòng)微鏡(慣性質(zhì)量塊)把光限制在腔內(nèi)來進(jìn)行傳感,其難點(diǎn)在于兩個(gè)微鏡的集成和微鏡的高反射率,優(yōu)勢(shì)是可以獨(dú)立的優(yōu)化光學(xué)部分和力學(xué)部分。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)的Gorman和LeBrun研究團(tuán)隊(duì)[25]2015年提出利用MEMS工藝來制作一種平凹F-P腔光力學(xué)加速度計(jì),如圖10(a)所示。2016年,該團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了高精細(xì)度平凹腔光力學(xué)加速度計(jì)[26],其利用激光頻率與微腔諧振頻率鎖定技術(shù)來測(cè)量微腔位移。2019年,該團(tuán)隊(duì)對(duì)片上集成高精細(xì)度光力學(xué)加速度計(jì)進(jìn)行測(cè)試[27],實(shí)驗(yàn)測(cè)得位移噪聲為0.4×10-15m/Hz1/2,等效加速度噪聲為200ng/Hz1/2,實(shí)驗(yàn)原理如圖10(b)所示。2020年,該團(tuán)隊(duì)的最新研究報(bào)道[28]已將加速度噪聲降低到32ng/Hz1/2,并具有6.8kHz的帶寬。

    圖10 美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的平凹腔光力學(xué)加速度計(jì)和測(cè)試系統(tǒng)Fig.10 Structure and system of the plano-concave cavity optomechanicalaccelerometer developed by NIST

    2 研究現(xiàn)狀總結(jié)與發(fā)展趨勢(shì)

    國(guó)外基于光力學(xué)原理的微球腔式加速度計(jì)最早于2001年問世,經(jīng)過各研究機(jī)構(gòu)的努力,至2020年光力學(xué)加速度計(jì)的加速度測(cè)量噪聲已經(jīng)從100μg/Hz1/2提升到32ng/Hz1/2,有接近4個(gè)數(shù)量級(jí)的提升。但是,目前光力學(xué)加速度計(jì)的研究主要處于原理驗(yàn)證階段,各研究團(tuán)隊(duì)很少報(bào)道光力學(xué)加速度計(jì)的精度指標(biāo)。表1總結(jié)了目前國(guó)外主要的光力學(xué)加速度計(jì)研究機(jī)構(gòu)的工作和加速度噪聲水平[6-7,12-13,20,22,27-30]。

    表1 國(guó)外光力學(xué)加速度計(jì)研究現(xiàn)狀Table 1 Research status of the optomechanicalaccelerometer abroad

    基于光阱懸浮原理的光力學(xué)加速度計(jì)噪聲最低為400ng/Hz1/2。光阱懸浮加速度計(jì)的基礎(chǔ)為光鑷技術(shù),其理論研究較為成熟,但是難點(diǎn)在于規(guī)則懸浮球體的加工和多自由度懸浮控制,此外還要考慮微球?qū)獾奈諏?dǎo)致的溫度變化。光阱懸浮加速度計(jì)的振子頻率多在幾赫茲到幾十赫茲,具有良好的低頻響應(yīng)特性,其應(yīng)用趨于兩個(gè)方向:一是超高精度、大系統(tǒng),可用于空間加速度測(cè)量、微震和重力測(cè)量等低頻領(lǐng)域;二是小型化、高精度,可用于長(zhǎng)航時(shí)慣性導(dǎo)航。

    目前,國(guó)外有更多的研究團(tuán)隊(duì)致力于腔光力學(xué)加速度計(jì)的研究,主要采用的原理為光子晶體、微球腔和F-P腔,加速度噪聲達(dá)到一定水平(ng/Hz1/2~μg/Hz1/2),測(cè)量帶寬在103Hz(量級(jí)),美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的研究成果目前處于領(lǐng)先地位。腔光力學(xué)加速度計(jì)因可采用微納工藝加工和真空電子封裝,系統(tǒng)可比光阱懸浮加速度計(jì)體積更小,且根據(jù)腔的不同具有設(shè)計(jì)方案的多樣性特點(diǎn)。但是,為了獲得高Q值光學(xué)諧振腔,其對(duì)微結(jié)構(gòu)的加工質(zhì)量(粗糙度、鍍膜均勻性等)和組裝精度要求較高,且振子本征頻率在103Hz(量級(jí)),低頻響應(yīng)較差,適用于高動(dòng)態(tài)環(huán)境的振動(dòng)測(cè)量。

    腔光力學(xué)系統(tǒng)通過機(jī)械諧振器與光場(chǎng)耦合,把機(jī)械諧振器位移耦合到微腔的諧振頻率中,高精細(xì)度的微腔對(duì)機(jī)械諧振器的位移具有極高的位移探測(cè)靈敏度,測(cè)量不精確度突破標(biāo)準(zhǔn)量子的測(cè)量極限。腔光力學(xué)加速度計(jì)精度有望遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)加速度計(jì),可與原子加速度計(jì)媲美,且其采用微納加工工藝,系統(tǒng)易于微型化,系統(tǒng)體積有望遠(yuǎn)小于原子加速度計(jì)。光阱懸浮光力學(xué)系統(tǒng)、光子晶體腔光力學(xué)系統(tǒng)以及F-P腔光力學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了較低噪聲的加速度測(cè)量,是未來極具前景的極高精度光力學(xué)加速度計(jì)方案。基于微芯環(huán)腔的腔光力學(xué)系統(tǒng)雖未有實(shí)現(xiàn)加速度測(cè)量的報(bào)道,但其位移測(cè)量噪聲為10-19m/Hz1/2,非常有潛力用于實(shí)現(xiàn)高精度的腔光力學(xué)加速度計(jì)。

    國(guó)內(nèi)現(xiàn)已有多個(gè)光力學(xué)系統(tǒng)的研究團(tuán)隊(duì),在理論研究和單分子檢測(cè)及濃度測(cè)量等方面取得了不錯(cuò)的進(jìn)展,為我國(guó)光力學(xué)系統(tǒng)在慣性傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用和大力發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。國(guó)防科技大學(xué)、浙江大學(xué)、中北大學(xué)等單位已經(jīng)在開展基于光力學(xué)系統(tǒng)的慣性傳感器的研究,相信在大家的共同努力下,在不久的未來定會(huì)取得突破性進(jìn)展。

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