中科院物理所：光學(xué)微腔構(gòu)建新一代超聲波傳感技術(shù)

超聲波廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)成像、工業(yè)無損檢測、交通系統(tǒng)等領(lǐng)域。在生物醫(yī)學(xué)成像方面，超聲波技術(shù)具有無電離輻射、實(shí)時(shí)成像、成本低廉等優(yōu)勢，成為常用的早期疾病診斷工具。醫(yī)生借助超聲波成像可以實(shí)時(shí)監(jiān)測胎兒發(fā)育情況、檢查心臟功能、診斷腫瘤等。同樣地，工業(yè)界也大量依賴超聲波技術(shù)進(jìn)行流量測量、過程控制和材料無損檢測等。此外，超聲波系統(tǒng)在交通領(lǐng)域也扮演著關(guān)鍵角色，應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、物體識(shí)別和自動(dòng)避障等功能，為智能駕駛提供可靠支撐。這些廣泛的應(yīng)用需求都離不開高性能的超聲波傳感器。

在過去幾十年里，壓電換能器占領(lǐng)著超聲傳感市場的主要地位，但它們在靈敏度、帶寬和微型化等方面存在局限性。壓電換能器的靈敏度隨著傳感面積的減小迅速下降，這將傳感器的尺寸限制在毫米到厘米的范圍內(nèi)。為了克服這些局限，研究者基于微加工技術(shù)發(fā)展了微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）超聲波傳感器，如電容式微機(jī)械超聲換能器（CMUTs）和壓電式微機(jī)械超聲換能器（PMUTs）。這些MEMS超聲波傳感器可實(shí)現(xiàn)更高的響應(yīng)帶寬和靈敏度，同時(shí)具有集成和微型化的潛力。然而，它們同樣容易受到電磁干擾，并且由于其傳感器結(jié)構(gòu)不透明，在多模態(tài)成像方面存在挑戰(zhàn)。

圖1 超聲波傳感器應(yīng)用實(shí)例

近年來，光學(xué)超聲傳感器已經(jīng)成為超聲波傳感領(lǐng)域中一個(gè)重要研究方向。其中具有高品質(zhì)因子的光學(xué)微腔利用其光學(xué)共振可顯著提高探測精度，近年來已被廣泛應(yīng)用于超聲波傳感。此外，硅芯片上集成的光學(xué)微腔可批量制備，尺寸較小，因此可降低成本和功耗，有望在光聲斷層掃描等應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)較高的空間分辨率。目前，光學(xué)微腔已在各種超聲傳感應(yīng)用中都展示出了優(yōu)勢和潛力。

圖2 不同類型的光學(xué)微腔超聲傳感器和傳感機(jī)制。a-c 三種用于超聲波傳感的微腔示意圖：F-P 腔 (a)、π相移布拉格光柵（π－BG） (b) 和 WGM 微腔 (c)，以及它們各自的共振條件。d-i 色散（d-f）和耗散（g-i）傳感機(jī)制。e、h 腔體在色散耦合和耗散耦合情況下的透射譜變化。f、i 色散和耗散傳感機(jī)制的響應(yīng)分別隨輸入激光與腔體共振頻率失諧的變化。

中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心的李貝貝特聘研究員團(tuán)隊(duì)近年來致力于設(shè)計(jì)并制備基于回音壁模式光學(xué)微腔的超高靈敏度超聲波傳感器，并取得了一系列進(jìn)展（Phys. Rev. Applied 2022, 18, 034035; Photon. Res. 2023, 11, 1139）。基于過往的研究和對大量資料文獻(xiàn)的總結(jié)，該課題組對基于光學(xué)微腔的超聲波傳感器原理及發(fā)展進(jìn)行了梳理，撰寫了綜述文章“Ultrasound sensing with optical microcavities”（ Light Sci. Appl. 2024, 13, 159）。文中歸納了超聲波傳感器的應(yīng)用場景（見圖1）。還總結(jié)了幾類常用的微腔超聲波傳感器包括：法布里-珀羅（F-P）腔（圖2a），π相移布拉格光柵（圖2b）與回音壁模式（WGM）微腔（圖2c）。F-P腔結(jié)構(gòu)較為簡單，如果在F-P腔的一側(cè)使用薄膜結(jié)構(gòu)，則可以實(shí)現(xiàn)極高的靈敏度。位于光纖末端的F-P腔可以作為探針式超聲波接收器，還可通過集成多個(gè)光纖實(shí)現(xiàn)陣列傳感。然而，與其他光學(xué)微腔相比，F(xiàn)-P腔通常具有較大的體積，這限制了它的應(yīng)用場景。π相移布拉格光柵是另一類重要的光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)。π相移布拉格光柵具有較小的傳感區(qū)域，且可以集成在芯片上或光纖上。然而，值得注意的是，π相移布拉格光柵目前所實(shí)現(xiàn)的超聲波傳感靈敏度仍相對較低。WGM微腔通常是閉合的圓形介質(zhì)結(jié)構(gòu)，光子在其內(nèi)表面發(fā)生連續(xù)全反射而被局域其中。在過去幾十年中，微納加工技術(shù)的進(jìn)步極大促進(jìn)了高品質(zhì)因子WGM微腔的發(fā)展。除了具有極高的光學(xué)品質(zhì)因子之外，WGM微腔還具有小模式體積、適應(yīng)各種材料體系和形狀的優(yōu)勢。

表1? 基于不同光學(xué)微腔超聲波傳感器性能匯總

這篇綜述概述了基于三種類型的光學(xué)微腔的超聲波傳感機(jī)制（見圖2d-i），并討論了如何優(yōu)化超聲波傳感器的關(guān)鍵參數(shù)，關(guān)注了光學(xué)微腔實(shí)現(xiàn)超聲波傳感應(yīng)用的最新進(jìn)展并對其性能進(jìn)行了總結(jié)（見表1）。此外，本文還介紹了光學(xué)微腔超聲波傳感器在不同探測場景中的應(yīng)用，例如光聲成像、測距和粒子檢測等方面，為未來高性能超聲波成像和傳感技術(shù)的發(fā)展提供了重要參考。相比于傳統(tǒng)壓電超聲波傳感器，先進(jìn)的光學(xué)微腔超聲波傳感器不僅能提高檢測靈敏度和空間分辨率，還具有體積小、集成度高等優(yōu)勢，有望在生物醫(yī)學(xué)成像、工業(yè)無損檢測等領(lǐng)域帶來革命性變革。這種基于光學(xué)微腔的新型超聲波傳感技術(shù)，必將為超聲波在各領(lǐng)域的應(yīng)用帶來新的機(jī)遇和發(fā)展空間。

審核編輯 黃宇