高靈敏度、小型化的超聲探測(cè)器在諸多方面發(fā)揮著重要應(yīng)用，例如醫(yī)學(xué)診斷、光聲成像、無損檢測(cè)等。然而目前超聲檢測(cè)技術(shù)也面臨著一些挑戰(zhàn)。由于聲阻抗不匹配，超聲在不同介質(zhì)的界面上會(huì)經(jīng)歷較大的損失，因此，在檢測(cè)中往往需要利用聲阻抗匹配耦合劑來實(shí)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(cè)成為最佳選擇。為了補(bǔ)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(shí)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(jí)，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(xué)微腔的超聲波傳感器，可同時(shí)實(shí)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(xué)微腔，及π-相移布拉格光柵腔等，均已被廣泛應(yīng)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(xué)共振頻率移動(dòng)，從而由微腔內(nèi)光場(chǎng)敏感讀出。

圖1 (a), (b) 一階和二階拍動(dòng)模式的位移分布。(c)-(f) 模擬了無溝槽結(jié)構(gòu)[(c), (d)]和具有溝槽結(jié)構(gòu)[(e), (f)]的微盤在一階[(c), (e)]和二階[(d), (f)]拍動(dòng)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(dòng)模式的機(jī)械共振頻率。(i), (j) 計(jì)算得到的不同厚度和不同半徑的微盤腔的拍動(dòng)模式的超聲波靈敏度。

在光學(xué)微腔中利用其機(jī)械共振效應(yīng)（即利用微腔光力系統(tǒng)）可以增強(qiáng)微腔對(duì)超聲波的機(jī)械響應(yīng)，從而進(jìn)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(jī)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(cè)激光的經(jīng)典噪聲和量子噪聲。通過采用特殊的探測(cè)手段，如平衡零差探測(cè)或平衡外差探測(cè)，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(xué)Q值，機(jī)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(jìn)入熱噪聲主導(dǎo)的區(qū)域，達(dá)到僅受熱噪聲限制的靈敏度，這對(duì)實(shí)現(xiàn)高靈敏度至關(guān)重要。該研究組在前期工作中利用同時(shí)具有較高光學(xué)與機(jī)械品質(zhì)因子的微芯圓環(huán)腔，已實(shí)現(xiàn)熱噪聲主導(dǎo)的靈敏度，從而將空氣中的微腔超聲波探測(cè)拓展至MHz以上(Phys. Rev. Appl. 18, 034035 (2022))。

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

為了進(jìn)一步提高kHz頻段的超聲波靈敏度，最近，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博士生楊昊、曹雪凝等人在李貝貝特聘研究員的指導(dǎo)下，進(jìn)一步系統(tǒng)研究了熱噪聲主導(dǎo)的靈敏度隨微腔半徑與厚度的關(guān)系，并利用微盤腔演示了微帕量級(jí)的高靈敏度超聲波探測(cè)。

在這項(xiàng)工作中，他們使用懸浮的回音壁模式微盤腔對(duì)熱噪聲限制的超聲靈敏度進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。研究表明，微盤腔周圍的溝槽結(jié)構(gòu)可以增加壓差，從而增強(qiáng)其對(duì)超聲波的響應(yīng)。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(shì)。在實(shí)驗(yàn)中，他們制備了不同半徑和厚度的具有溝槽結(jié)構(gòu)的微盤腔，并在空氣中測(cè)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(dòng)模式處實(shí)現(xiàn)了1.18 μPa Hz-1/2的超聲波探測(cè)靈敏度，該靈敏度是目前微腔超聲波探測(cè)器中的最高記錄。

圖3 (a) 微腔超聲波探測(cè)器的噪聲功率譜（黑色實(shí)線）與在83 kHz頻率處施加了超聲波信號(hào)的響應(yīng)譜（綠色實(shí)線）。(b) 微腔超聲波探測(cè)器的系統(tǒng)響應(yīng)，即微腔對(duì)不同頻率的超聲波的響應(yīng)，插圖展示了高階拍動(dòng)模式的位移分布。(c) 微腔超聲波探測(cè)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(dòng)模式。

圖5 不同厚度和半徑的微盤的拍動(dòng)模式的靈敏度。

審核編輯：彭菁