Laserlichtbasierter Beschleunigungsmesser

Ein Auto-Airbag löst sich dank eines Beschleunigungsmessers aus – eines Sensors, der plötzliche Geschwindigkeitsänderungen erkennt. Beschleunigungsmesser halten Raketen und Flugzeuge auf der richtigen Flugbahn, bieten Navigation für selbstfahrende Autos und drehen Bilder so, dass sie auf Mobiltelefonen und Tablets richtig herum angezeigt werden, neben anderen wichtigen Aufgaben.

Ein Forscherteam hat einen millimeterdicken Beschleunigungsmesser entwickelt, der statt mechanischer Belastung Laserlicht nutzt, um ein Signal zu erzeugen. Obwohl einige andere Beschleunigungsmesser ebenfalls auf Licht angewiesen sind, macht das Design des neuen Instruments den Messvorgang einfacher und bietet eine höhere Genauigkeit. Es arbeitet auch über einen größeren Frequenzbereich und wurde strenger getestet als vergleichbare Geräte.

Der optomechanische Beschleunigungsmesser ist viel präziser als die besten kommerziellen Beschleunigungsmesser und muss nicht dem zeitaufwändigen Prozess der regelmäßigen Kalibrierung unterzogen werden. Da das Instrument zur Messung der Beschleunigung Laserlicht einer bekannten Frequenz verwendet, kann es tatsächlich als tragbares Referenznormal dienen, um andere Beschleunigungsmesser, die jetzt auf dem Markt sind, zu kalibrieren und sie genauer zu machen. Der Beschleunigungsmesser hat auch das Potenzial, die Trägheitsnavigation in kritischen Systemen wie Militärflugzeugen, Satelliten und U-Booten zu verbessern, insbesondere wenn kein GPS-Signal verfügbar ist.

Das Gerät besteht aus zwei Siliziumchips, bei denen Infrarotlaserlicht am unteren Chip eintritt und oben wieder austritt. Der obere Chip enthält eine an Siliziumträgern aufgehängte Prüfmasse, die es der Masse ermöglicht, sich als Reaktion auf Beschleunigungen frei auf und ab zu bewegen. Eine verspiegelte Beschichtung auf der Prüfmasse und ein halbkugelförmiger Spiegel, der am unteren Chip angebracht ist, bilden einen optischen Hohlraum. Die Wellenlänge des Infrarotlichts wird so gewählt, dass sie nahezu mit der Resonanzwellenlänge des Hohlraums übereinstimmt, wodurch das Licht intensiver wird, wenn es viele Male zwischen den beiden verspiegelten Oberflächen hin und her springt, bevor es austritt. Wenn das Gerät eine Beschleunigung erfährt, bewegt sich die Prüfmasse, ändert die Länge des Hohlraums und verschiebt die Resonanzwellenlänge. Dadurch verändert sich die Intensität des reflektierten Lichts. Eine optische Anzeige wandelt die Intensitätsänderung in ein Beschleunigungsmaß um.

Der optomechanische Beschleunigungsmesser erfasst Beschleunigungen von nur 32 Milliardstel g, wobei g die Erdbeschleunigung ist. Das ist eine höhere Empfindlichkeit als andere derzeit auf dem Markt erhältliche Beschleunigungsmesser mit ähnlicher Größe und Bandbreite. Mit weiteren Verbesserungen könnte das Gerät als tragbares, hochpräzises Referenzgerät verwendet werden, um andere Beschleunigungsmesser zu kalibrieren, ohne sie in ein Labor bringen zu müssen.