中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
超聲波廣泛應用于生物醫學(xué)成像、工業(yè)無(wú)損檢測、交通系統等領(lǐng)域。在生物醫學(xué)成像方面，超聲波技術(shù)具有無(wú)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。醫生借助超聲波成像可以實(shí)時(shí)監測胎兒發(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(lài)超聲波技術(shù)進(jìn)行流量測量、過(guò)程控制和材料無(wú)損檢測等。此外，超聲波系統在交通領(lǐng)域也扮演著(zhù)關(guān)鍵角色，應用于倒車(chē)雷達、物體識別和自動(dòng)避障等功能，為智能駕駛提供可靠支撐。這些廣泛的應用需求都離不開(kāi)高性能的超聲波傳感器。
在過(guò)去幾十年里，壓電換能器占領(lǐng)著(zhù)超聲傳感市場(chǎng)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(zhù)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。為了克服這些局限，研究者基于微加工技術(shù)發(fā)展了微機電系統（MEMS）超聲波傳感器，如電容式微機械超聲換能器（CMUTs）和壓電式微機械超聲換能器（PMUTs）。這些MEMS超聲波傳感器可實(shí)現更高的響應帶寬和靈敏度，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構不透明，在多模態(tài)成像方面存在挑戰。
近年來(lái)，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(zhù)提高探測精度，近年來(lái)已被廣泛應用于超聲波傳感。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用中實(shí)現較高的空間分辨率。目前，光學(xué)微腔已在各種超聲傳感應用中都展示出了優(yōu)勢和潛力。
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隊近年來(lái)致力于設計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）?；谶^(guò)往的研究和對大量資料文獻的總結，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(xiě)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用場(chǎng)景（見(jiàn)圖1）。還總結了幾類(lèi)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腔結構較為簡(jiǎn)單，如果在F-P腔的一側使用薄膜結構，則可以實(shí)現極高的靈敏度。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(guò)集成多個(gè)光纖實(shí)現陣列傳感。然而，與其他光學(xué)微腔相比，F-P腔通常具有較大的體積，這限制了它的應用場(chǎng)景。π相移布拉格光柵是另一類(lèi)重要的光學(xué)微腔結構。π相移布拉格光柵具有較小的傳感區域，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)結構，光子在其內表面發(fā)生連續全反射而被局域其中。在過(guò)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、適應各種材料體系和形狀的優(yōu)勢。
這篇綜述概述了基于三種類(lèi)型的光學(xué)微腔的超聲波傳感機制（見(jiàn)圖2d-i），并討論了如何優(yōu)化超聲波傳感器的關(guān)鍵參數，關(guān)注了光學(xué)微腔實(shí)現超聲波傳感應用的最新進(jìn)展并對其性能進(jìn)行了總結（見(jiàn)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(chǎng)景中的應用，例如光聲成像、測距和粒子檢測等方面，為未來(lái)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，有望在生物醫學(xué)成像、工業(yè)無(wú)損檢測等領(lǐng)域帶來(lái)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)域的應用帶來(lái)新的機遇和發(fā)展空間。
相關(guān)研究成果以“Ultrasound sensing with optical microcavities”為題，在線(xiàn)發(fā)表在《Light: Science & Applications》期刊。中國科學(xué)院物理研究所博士研究生曹雪凝為第一作者，李貝貝特聘研究員為本文通訊作者。該工作得到了基金委、科技部、中國科學(xué)院等項目的大力支持。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41377-024-01480-8
