304am永利集团(中国)-2024上海医疗器械创新展Medtec解读光学微腔超声波传感
超声波传感于生物医学成像、工业无损检测及运输体系等各个范畴都有广泛的运用。于生物医学成像范畴，超声波传感器因其价格实惠、及时成像以和无电离辐射等诸多长处成为初期疾病诊断的经常使用东西。于工业范畴，超声波技能也被广泛用在流量及液位丈量、历程节制以和质料无损检测等运用。此外，基在超声传感的体系于交通运输中也阐扬着至关主要的作用，促成了诸如倒车雷达、物体辨认及检测以和主动避障等运用的实现。图1展示了超声波传感器的运用实例。
于已往几十年里，压电换能器占领着超声传感市场的重要职位地方，但它们于敏捷度、带宽及微型化等方面存于局限性。压电换能器的敏捷度跟着传感面积的减小迅速降落，这将传感器的尺寸限定于毫米到厘米的规模内。为了降服这些局限，研究者基在微加工技能成长了微电机体系（MEMS）超声波传感器，如电容衰落机械超声换能器（CMUTs）及压电衰落机械超声换能器（PMUTs）。这些MEMS超声波传感器可实现更高的相应带宽及敏捷度，同时具备集成及微型化的潜力。然而，它们一样轻易遭到电磁滋扰，而且因为其传感器布局不透明，是以于多模态成像方面存于挑战。
2024上海医疗器械立异展Medtec认为光学超声传感器已经经成为超声波传感范畴中一个主要研究标的目的。此中具备高品质因子的光学微腔使用其光学共振可显著提高探测精度，最近几年来已经被广泛运用在超声波传感。此外，硅芯片上集成的光学微腔可批量制备，尺寸较小，是以可降低成本及功耗，有望于光声断层扫描等运用中实现较高的空间分辩率。今朝，光学微腔已经于各类超声传感到用中都展示出了上风及潜力。
运用在超声波传感器的几种光学微腔
F-P腔，也称为F-P干预干与仪或者干预干与腔，是最经常使用的光学微腔之一。它由两个平行反射面构成，经由过程光于两面反射镜之间往返反射从而将光子局域此中。F-P腔共振前提为：光于微腔中来回一次的光程等在光波长的整数倍，如图2(a)所示。因为其高品质因子及成熟的制造技能，F-P腔于激光器、通讯、光学仪器、光谱学、天文学等范畴被广泛运用。此外，F-P腔于超声波传感中也获得了主要运用。其检测道理为超声波转变F-P腔的腔长，使其光学共振频率挪动，这类频移可以经由过程光学要领读出，从而实现超声波的检测。F-P腔布局较为简朴，假如于F-P腔的一侧利用薄膜布局，则可以实现极高的敏捷度。位在光纤结尾的F-P腔可以作为探针式超声波吸收器，还有可经由过程集成多个光纤实现阵传记感。然而，与其他光学微腔比拟，F-P腔凡是具备较年夜的体积，这限定了它的运用场景。
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2. π相移布拉格光栅布拉格光栅是一种具备周期性折射率的布局。研究职员经由过程于布拉格光栅中央引入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备高反射镜的作用，从而于布拉格光栅内部形成近似F-P腔的布局。因为谐振模式的存于，π相移布拉格光栅的反射谱中央具备较着的强度变化，可显著加强对于超声波的光学相应，如图2(b)所示。π相移布拉格光栅具备较小的传感区域，且可以无缝集成于芯片上或者光纤上。然而，值患上留意的是，π相移布拉格光栅今朝所实现的超声波传感敏捷度仍相对于较低。
3. 回音壁模式（WGM）微腔除了F-P腔及π相移布拉格光栅以外，基在WGM微腔的超声波传感器最近几年来也吸引了广泛的研究兴致。WGM微腔凡是是闭合的圆形介质布局，光子于其内外貌发生持续全反射而被局域此中。当光沿微腔流传一圈所走的光程等在波长的整数倍时，便可满意WGM微腔的共振前提，如图2(c)所示。于已往几十年中，微纳加工技能的前进极年夜促成了高品质因子WGM微腔的成长。除了了具备极高的光学品质因子以外，WGM微腔还有具备小模式体积、顺应各类质料系统及外形的上风。因为其极高的光学品质因子所实现的高敏捷度，最近几年来人们使用各类类型的WGM微腔已经于超声波传感方面取患了显著的进展。这些差别布局的微腔，包括微环腔、微球腔、微泡腔、微盘腔及微芯圆环腔等，于运用中各自具备其怪异的上风。例如，微环腔易在于芯片上集成并实现批量制备，是实现阵传记感的抱负选择。此外，微环腔超声波传感用具有较年夜的相应带宽，这对于在光声成像等运用至关主要。然而，因为衬底的限定，微环腔形变较为坚苦，是以微环腔超声波传感器的敏捷度遭到限定。微环腔的另外一挑战于在怎样实现超高的光学品质因子，这直接影响着敏捷度的晋升。比拟之下，微球腔及微泡腔则更容易在实现超高品质因子，且具备险些全角度的空间相应。尤其需要指出的是，微泡腔因为具备中空布局，经由过程于中空布局中通入气体或者液体，还有能很是便当地实现对于气体及液体的检测。对于在WGM微腔来说，要实现更低的检测极限，还有需要提高机械品质因子，而具备悬浮布局的微盘腔及微芯圆环腔可以显著提高机械品质因子，从而提崇高高贵声波传感敏捷度。今朝基在WGM微腔的超声波传感器已经得到了较高的敏捷度，到达μPa Hz-1/2程度。为了进一步促成WGM微腔超声波传感器从试验室走向真正的运用场景，还有需要于传感器的制备工艺及集成性方面进一步改良。
总结与瞻望于已往十几年里，光学超声传感器比拟传统压电换能器已经揭示出怪异的上风。此中，光学微腔超声传感器于高敏捷度、宽带及微型化等方面尤为凸起，而且合用在超声成像及光声传感等各类运用。几类经常使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。此中，基在悬挑膜的F-P腔超声传感用具有较高的敏捷度，但其传感器尺寸较年夜。比拟之下，实心的F-P腔敏捷度较差，但相应带宽更年夜。基在光纤的F-P腔可实现险些全空间角度的相应和多通道并行感测。π相移布拉格光栅具备宽带相应、年夜吸收角及易在芯片集成等上风，但其敏捷度仍需进一步提高。WGM微腔因为较高的光学及机械品质因子，可以到达热噪声极限，从而实现更高的敏捷度。然而，WGM微腔对于超声波标的目的更为敏感，是以实现全角度相应较为坚苦。瞻望将来，科学技能的前进有望进一步提高光学微腔超声传感器的机能，从而实现更高的敏捷度、更年夜的带宽及吸收角。此外，光学微腔于并行探测方面还有需要进一步摸索，例如将多波长频率梳光源与超声传感器阵列相联合，以实现高速成像及传感到用。2024上海医疗器械立异展Medtec认为使用这些进步前辈技能，光学微腔有望于光声成像、无损检测、矿产勘探、水下通讯等诸多范畴为超声波传感技能带来厘革性冲破。
论文信息:
Cao, X., Yang, H., Wu, ZL. et al. Ultrasound sensing with optical microcavities. Light Sci Appl 13, 159 (2024).
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