基于光學微腔的微帕級靈敏度超聲波傳感器介紹

高靈敏度、小型化的超聲探測器在諸多方面發(fā)揮著重要應用，例如醫(yī)學診斷、光聲成像、無損檢測等。然而目前超聲檢測技術也面臨著一些挑戰(zhàn)。由于聲阻抗不匹配，超聲在不同介質的界面上會經(jīng)歷較大的損失，因此，在檢測中往往需要利用聲阻抗匹配耦合劑來實現(xiàn)高靈敏度。然而，在一些并不適用耦合劑的情況下（例如存在傷口或不能損壞的材料，或高溫環(huán)境中等），空氣耦合的超聲檢測成為最佳選擇。為了補償超聲波在空氣中較大的損耗，空氣耦合的超聲波傳感器的靈敏度亟待提高。目前常用超聲波傳感器多為商業(yè)化的壓電超聲波換能器，它可以通過成熟的工藝來生產(chǎn)，且易于與電路集成。然而，為了實現(xiàn)較高的靈敏度，壓電換能器的尺寸一般較大，通常為毫米到厘米量級，這大大降低了成像的空間分辨率。為了突破這些限制，過去十年，研究人員開發(fā)了多種基于光學微腔的超聲波傳感器，可同時實現(xiàn)較高的靈敏度和空間分辨率。其中，F(xiàn)abry-Perot腔，回音壁模式光學微腔，及π-相移布拉格光柵腔等，均已被廣泛應用于超聲波傳感。由入射超聲波帶來的壓力變化引起這些微腔的光學共振頻率移動，從而由微腔內(nèi)光場敏感讀出。

圖1 (a), (b) 一階和二階拍動模式的位移分布。(c)-(f) 模擬了無溝槽結構[(c), (d)]和具有溝槽結構[(e), (f)]的微盤在一階[(c), (e)]和二階[(d), (f)]拍動模式頻率下的聲壓分布。(g), (h) 模擬得到的不同厚度和不同半徑的微盤腔的拍動模式的機械共振頻率。(i), (j) 計算得到的不同厚度和不同半徑的微盤腔的拍動模式的超聲波靈敏度。

在光學微腔中利用其機械共振效應（即利用微腔光力系統(tǒng)）可以增強微腔對超聲波的機械響應，從而進一步提高靈敏度。微腔光力系統(tǒng)中的主要噪聲來源包括熱噪聲和激光噪聲。熱噪聲是由機械振子的固有阻尼和與傳感器周圍氣體分子的碰撞引起的，而激光噪聲則包括來自探測激光的經(jīng)典噪聲和量子噪聲。通過采用特殊的探測手段，如平衡零差探測或平衡外差探測，可以有效抑制激光的經(jīng)典噪聲。此外，通過優(yōu)化超聲波傳感器參數(shù)，例如光學Q值，機械Q值，光力耦合系數(shù)，光功率等，可以顯著降低激光散粒噪聲，從而使系統(tǒng)進入熱噪聲主導的區(qū)域，達到僅受熱噪聲限制的靈敏度，這對實現(xiàn)高靈敏度至關重要。該研究組在前期工作中利用同時具有較高光學與機械品質因子的微芯圓環(huán)腔，已實現(xiàn)熱噪聲主導的靈敏度，從而將空氣中的微腔超聲波探測拓展至MHz以上(Phys. Rev. Appl. 18, 034035 (2022))。

圖2 (a) 微盤腔的光學顯微鏡圖像。(b) 模擬的微盤腔的回音壁模式的基模光場分布。(c) 超聲波探測實驗裝置示意圖。(d) 1550 nm附近微腔的透過率譜。

為了進一步提高kHz頻段的超聲波靈敏度，最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心的博士生楊昊、曹雪凝等人在李貝貝特聘研究員的指導下，進一步系統(tǒng)研究了熱噪聲主導的靈敏度隨微腔半徑與厚度的關系，并利用微盤腔演示了微帕量級的高靈敏度超聲波探測。

在這項工作中，他們使用懸浮的回音壁模式微盤腔對熱噪聲限制的超聲靈敏度進行了系統(tǒng)的研究。研究表明，微盤腔周圍的溝槽結構可以增加壓差，從而增強其對超聲波的響應。他們考慮了壓差和空間重疊的影響，并研究了靈敏度隨微盤半徑和厚度的變化趨勢。在實驗中，他們制備了不同半徑和厚度的具有溝槽結構的微盤腔，并在空氣中測量了從幾十kHz到超過1 MHz的頻率范圍內(nèi)的靈敏度。他們利用半徑為300 μm、厚度為2 μm的微盤，在82.6 kHz盤腔二階拍動模式處實現(xiàn)了1.18 μPa Hz-1/2的超聲波探測靈敏度，該靈敏度是目前微腔超聲波探測器中的最高記錄。

圖3 (a) 微腔超聲波探測器的噪聲功率譜（黑色實線）與在83 kHz頻率處施加了超聲波信號的響應譜（綠色實線）。(b) 微腔超聲波探測器的系統(tǒng)響應，即微腔對不同頻率的超聲波的響應，插圖展示了高階拍動模式的位移分布。(c) 微腔超聲波探測器的靈敏度譜。

圖4 不同厚度和半徑微盤腔的超聲波靈敏度譜，陰影區(qū)域突出了各種幾何參數(shù)的微腔的一階[(a), (c)]和二階[(b), (d), (e)]拍動模式。

圖5 不同厚度和半徑的微盤的拍動模式的靈敏度。

審核編輯：彭菁