Light | 光学微腔超声波传感

超声波传感在生物医学成像、工业无损检测和运输系统等各个领域都有广泛的应用。在生物医学成像领域，超声波传感器因其价格实惠、实时成像以及无电离辐射等诸多优点成为早期疾病诊断的常用工具。在工业领域，超声波技术也被广泛用于流量和液位测量、过程控制以及材料无损检测等应用。此外，基于超声传感的系统在交通运输中也发挥着至关重要的作用，促进了诸如倒车雷达、物体识别和检测以及自动避障等应用的实现。图1展示了超声波传感器的应用实例。

图1：超声波传感器应用实例

图源：Light: Science & Applications

在过去几十年里，压电换能器占领着超声传感市场的主要地位，但它们在灵敏度、带宽和微型化等方面存在局限性。压电换能器的灵敏度随着传感面积的减小迅速下降，这将传感器的尺寸限制在毫米到厘米的范围内。为了克服这些局限，研究者基于微加工技术发展了微机电系统（MEMS）超声波传感器，如电容式微机械超声换能器（CMUTs）和压电式微机械超声换能器（PMUTs）。这些MEMS超声波传感器可实现更高的响应带宽和灵敏度，同时具有集成和微型化的潜力。然而，它们同样容易受到电磁干扰，并且由于其传感器结构不透明，因此在多模态成像方面存在挑战。

近年来，光学超声传感器已经成为超声波传感领域中一个重要研究方向。其中具有高品质因子的光学微腔利用其光学共振可显著提高探测精度，近年来已被广泛应用于超声波传感。此外，硅芯片上集成的光学微腔可批量制备，尺寸较小，因此可降低成本和功耗，有望在光声断层扫描等应用中实现较高的空间分辨率。目前，光学微腔已在各种超声传感应用中都展示出了优势和潜力。

图2：应用于超声波传感的三种光学微腔示意图及其共振条件。（a） 法布里-珀罗（F-P）腔 （b） π相移布拉格光栅 （c） 回音壁模式（WGM）微腔

图源：Light: Science & Applications

1. 法布里-珀罗（F-P）腔

F-P腔，也称为F-P干涉仪或干涉腔，是最常用的光学微腔之一。它由两个平行反射面组成，通过光在两面反射镜之间来回反射从而将光子局域其中。F-P腔共振条件为：光在微腔中往返一次的光程等于光波长的整数倍，如图2(a)所示。由于其高品质因子和成熟的制造技术，F-P腔在激光器、通信、光学仪器、光谱学、天文学等领域被广泛应用。此外，F-P腔在超声波传感中也得到了重要应用。其检测原理为超声波改变F-P腔的腔长，使其光学共振频率移动，这种频移可以通过光学方法读出，从而实现超声波的检测。F-P腔结构较为简单，如果在F-P腔的一侧使用薄膜结构，则可以实现极高的灵敏度。位于光纤末端的F-P腔可以作为探针式超声波接收器，还可通过集成多个光纤实现阵列传感。然而，与其他光学微腔相比，F-P腔通常具有较大的体积，这限制了它的应用场景。

2. π相移布拉格光栅

布拉格光栅是一种具有周期性折射率的结构。研究人员通过在布拉格光栅中心引入π相位变化，可实现π相移布拉格光栅。该相位跳变使光栅具有高反射镜的作用，从而在布拉格光栅内部形成类似F-P腔的结构。由于谐振模式的存在，π相移布拉格光栅的反射谱中心具有明显的强度变化，可显著增强对超声波的光学响应，如图2(b)所示。π相移布拉格光栅具有较小的传感区域，且可以无缝集成在芯片上或光纤上。然而，值得注意的是，π相移布拉格光栅目前所实现的超声波传感灵敏度仍相对较低。

3. 回音壁模式（WGM）微腔

除F-P腔和π相移布拉格光栅之外，基于WGM微腔的超声波传感器近年来也吸引了广泛的研究兴趣。WGM微腔通常是闭合的圆形介质结构，光子在其内表面发生连续全反射而被局域其中。当光沿微腔传播一圈所走的光程等于波长的整数倍时，即可满足WGM微腔的共振条件，如图2(c)所示。在过去几十年中，微纳加工技术的进步极大促进了高品质因子WGM微腔的发展。除了具有极高的光学品质因子之外，WGM微腔还具有小模式体积、适应各种材料体系和形状的优势。由于其极高的光学品质因子所实现的高灵敏度，近年来人们利用各种类型的WGM微腔已在超声波传感方面取得了显著的进展。这些不同结构的微腔，包括微环腔、微球腔、微泡腔、微盘腔和微芯圆环腔等，在应用中各自具有其独特的优势。例如，微环腔易于在芯片上集成并实现批量制备，是实现阵列传感的理想选择。此外，微环腔超声波传感器具有较大的响应带宽，这对于光声成像等应用至关重要。然而，由于衬底的限制，微环腔形变较为困难，因此微环腔超声波传感器的灵敏度受到限制。微环腔的另一挑战在于如何实现超高的光学品质因子，这直接影响着灵敏度的提升。相比之下，微球腔和微泡腔则更易于实现超高品质因子，且具有几乎全角度的空间响应。特别需要指出的是，微泡腔由于具有中空结构，通过在中空结构中通入气体或液体，还能非常便利地实现对气体和液体的检测。对于WGM微腔来讲，要实现更低的检测极限，还需要提高机械品质因子，而具有悬浮结构的微盘腔和微芯圆环腔可以显著提高机械品质因子，从而提高超声波传感灵敏度。目前基于WGM微腔的超声波传感器已获得了较高的灵敏度，达到μPa Hz^-1/2水平。为了进一步促进WGM微腔超声波传感器从实验室走向真实的应用场景，还需要在传感器的制备工艺和集成性方面进一步改进。

在过去十几年里，光学超声传感器相比传统压电换能器已展现出独特的优势。其中，光学微腔超声传感器在高灵敏度、宽带和微型化等方面尤为突出，并且适用于超声成像和光声传感等各种应用。几类常用的微腔超声波传感器包括：F-P腔，π相移布拉格光栅与WGM微腔。其中，基于悬浮薄膜的F-P腔超声传感器具有较高的灵敏度，但其传感器尺寸较大。相比之下，实心的F-P腔灵敏度较差，但响应带宽更大。基于光纤的F-P腔可实现几乎全空间角度的响应及多通道并行感测。π相移布拉格光栅具有宽带响应、大接收角和易于芯片集成等优势，但其灵敏度仍需进一步提高。WGM微腔由于较高的光学和机械品质因子，可以达到热噪声极限，从而实现更高的灵敏度。然而，WGM微腔对超声波方向更为敏感，因此实现全角度响应较为困难。展望未来，科学技术的进步有望进一步提高光学微腔超声传感器的性能，从而实现更高的灵敏度、更大的带宽和接收角。此外，光学微腔在并行探测方面还需要进一步探索，例如将多波长频率梳光源与超声传感器阵列相结合，以实现高速成像和传感应用。利用这些先进技术，光学微腔有望在光声成像、无损检测、矿产勘探、水下通信等诸多领域为超声波传感技术带来变革性突破。

Cao, X., Yang, H., Wu, ZL. et al. Ultrasound sensing with optical microcavities. Light Sci Appl 13, 159 (2024). 

https://doi.org/10.1038/s41377-024-01480-8