基于光学微腔的微帕级灵敏度超声波传感器介绍

高灵敏度、小型化的超声探测器在诸多方面发挥着重要应用，例如医学诊断、光声成像、无损检测等。然而目前超声检测技术也面临着一些挑战。由于声阻抗不匹配，超声在不同介质的界面上会经历较大的损失，因此，在检测中往往需要利用声阻抗匹配耦合剂来实现高灵敏度。然而，在一些并不适用耦合剂的情况下（例如存在伤口或不能损坏的材料，或高温环境中等），空气耦合的超声检测成为最佳选择。为了补偿超声波在空气中较大的损耗，空气耦合的超声波传感器的灵敏度亟待提高。目前常用超声波传感器多为商业化的压电超声波换能器，它可以通过成熟的工艺来生产，且易于与电路集成。然而，为了实现较高的灵敏度，压电换能器的尺寸一般较大，通常为毫米到厘米量级，这大大降低了成像的空间分辨率。为了突破这些限制，过去十年，研究人员开发了多种基于光学微腔的超声波传感器，可同时实现较高的灵敏度和空间分辨率。其中，Fabry-Perot腔，回音壁模式光学微腔，及π-相移布拉格光栅腔等，均已被广泛应用于超声波传感。由入射超声波带来的压力变化引起这些微腔的光学共振频率移动，从而由微腔内光场敏感读出。

图1 (a), (b) 一阶和二阶拍动模式的位移分布。(c)-(f) 模拟了无沟槽结构[(c), (d)]和具有沟槽结构[(e), (f)]的微盘在一阶[(c), (e)]和二阶[(d), (f)]拍动模式频率下的声压分布。(g), (h) 模拟得到的不同厚度和不同半径的微盘腔的拍动模式的机械共振频率。(i), (j) 计算得到的不同厚度和不同半径的微盘腔的拍动模式的超声波灵敏度。

在光学微腔中利用其机械共振效应（即利用微腔光力系统）可以增强微腔对超声波的机械响应，从而进一步提高灵敏度。微腔光力系统中的主要噪声来源包括热噪声和激光噪声。热噪声是由机械振子的固有阻尼和与传感器周围气体分子的碰撞引起的，而激光噪声则包括来自探测激光的经典噪声和量子噪声。通过采用特殊的探测手段，如平衡零差探测或平衡外差探测，可以有效抑制激光的经典噪声。此外，通过优化超声波传感器参数，例如光学Q值，机械Q值，光力耦合系数，光功率等，可以显著降低激光散粒噪声，从而使系统进入热噪声主导的区域，达到仅受热噪声限制的灵敏度，这对实现高灵敏度至关重要。该研究组在前期工作中利用同时具有较高光学与机械品质因子的微芯圆环腔，已实现热噪声主导的灵敏度，从而将空气中的微腔超声波探测拓展至MHz以上(Phys. Rev. Appl. 18, 034035 (2022))。

图2 (a) 微盘腔的光学显微镜图像。(b) 模拟的微盘腔的回音壁模式的基模光场分布。(c) 超声波探测实验装置示意图。(d) 1550 nm附近微腔的透过率谱。

为了进一步提高kHz频段的超声波灵敏度，最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心的博士生杨昊、曹雪凝等人在李贝贝特聘研究员的指导下，进一步系统研究了热噪声主导的灵敏度随微腔半径与厚度的关系，并利用微盘腔演示了微帕量级的高灵敏度超声波探测。

在这项工作中，他们使用悬浮的回音壁模式微盘腔对热噪声限制的超声灵敏度进行了系统的研究。研究表明，微盘腔周围的沟槽结构可以增加压差，从而增强其对超声波的响应。他们考虑了压差和空间重叠的影响，并研究了灵敏度随微盘半径和厚度的变化趋势。在实验中，他们制备了不同半径和厚度的具有沟槽结构的微盘腔，并在空气中测量了从几十kHz到超过1 MHz的频率范围内的灵敏度。他们利用半径为300 μm、厚度为2 μm的微盘，在82.6 kHz盘腔二阶拍动模式处实现了1.18 μPa Hz-1/2的超声波探测灵敏度，该灵敏度是目前微腔超声波探测器中的最高记录。

图3 (a) 微腔超声波探测器的噪声功率谱（黑色实线）与在83 kHz频率处施加了超声波信号的响应谱（绿色实线）。(b) 微腔超声波探测器的系统响应，即微腔对不同频率的超声波的响应，插图展示了高阶拍动模式的位移分布。(c) 微腔超声波探测器的灵敏度谱。

图4 不同厚度和半径微盘腔的超声波灵敏度谱，阴影区域突出了各种几何参数的微腔的一阶[(a), (c)]和二阶[(b), (d), (e)]拍动模式。  

图5 不同厚度和半径的微盘的拍动模式的灵敏度。

        审核编辑：彭菁