微帕级灵敏度超声波探测 | 应用物理前沿推介系列No.36

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本期推介

基于光学微腔的微帕级灵敏度超声波探测

高灵敏度、小型化的超声探测器在诸多领域发挥着重要应用，例如医学诊断、光声成像、无损检测、水声探测等。在生物医学成像中，超声波具有低成本、实时成像和非电离辐射等优点，是疾病诊断的常用工具。工业应用中，可以利用超声波进行流量测量、过程控制和材料的无损检测等。在海洋领域，可以利用超声波传感器实现水下目标探测、海域监控、水声通信等。此外，基于超声波的探测系统可以在倒车雷达、目标识别和检测等运输应用中发挥重要作用。超声波传感器的各种应用范例如图1所示。

图1 超声波传感器应用范例。

目前最成熟的商用超声波探测器多采用压电换能器，可以通过成熟的工艺来生产，且易于与电路集成。然而，压电式传感器在灵敏度、带宽和小型化方面都面临着限制。为了实现较高的灵敏度，压电换能器一般需要较大的尺寸，通常在毫米到厘米量级，对于光声成像或光声断层成像等应用无法实现较高的空间分辨率。此外，压电换能器易于受到电磁环境干扰，难以在极端条件环境（如高温）下工作。近年来发展起来的光学超声波探测器，具有小型化、易大批量制备、抗电磁干扰等优势。主流的光学超声波探测器主要包括基于光纤的超声波探测器和芯片上的超声波传感器，但其灵敏度还有待提高。超声波传感器灵敏度的进一步提高，对于提高声定位精度和拓展探测距离等，均具有极为重要的意义。

为了实现较高的灵敏度及空间分辨率，近年来研究人员开发了多种基于光学微腔的超声波传感器，例如，Fabry-Perot腔、π-相移布拉格光栅腔、回音壁模式光学微腔等，均已被广泛应用于超声波传感。光学微腔超声波探测器利用声压引起的光弹效应或机械形变造成的微腔光学共振频率的移动来实现对超声波的高灵敏探测。利用微腔的机械共振效应，即利用微腔光力系统，可进一步增强微腔对外力及声压的响应，从而进一步提高声压灵敏度，甚至达到仅受机械热噪声限制的物理极限灵敏度。

光学微腔利用其高品质因子光学共振提高的读出灵敏度，可实现优异的超声波探测灵敏度。此外，硅芯片上集成的光学微腔可以大规模生产从而降低成本。此外，它们的微尺度尺寸允许高空间分辨率，特别适用于光声层析成像等应用。在过去的十几年里，各种超声传感应用已经证明了光学微腔的潜力。

2017年，Guggenheim等研究者提出了一种平凹聚合物微共振腔[1]，该腔由两个高反射镜之间形成的固体平凹聚合物微腔组成（图2(a)），利用其优于105的高光学品质因子，实现了40 MHz的宽带响应，噪声等效声压(NEP)为1.6 mPa Hz^−1/2。进一步将该传感器集成在光纤的端面上，可实现便携式的超声波传感扫描探针，且具有全角度响应。光纤上的传感器的另一个巨大优点是它可以深入组织进行内窥镜成像，该工作实现了小鼠耳朵的光学分辨率光声显微镜图像和体外猪主动脉样本的三维高分辨率脉冲回波超声图像。2020年，Shnaiderman等研究者利用π-相移波导布拉格光栅实现了超声波探测器的芯片集成小型化，将传感区域压缩到200 nm×500 nm，并实现了由8个传感器组成的阵列[2]。硅波导标准具探测器的细节如图2(b)所示，该传感器实现了9 mPa Hz^−1/2的灵敏度，带宽达到230 MHz。由于其高度紧凑的传感面积，其成像分辨率可达到与光学显微镜相媲美的水平。

在光学微腔中利用其机械共振效应（即利用微腔光力系统）可以增强微腔对超声波的机械响应，从而进一步提高灵敏度。2019年，Basiri-Esfahani等研究者展示了一种使用悬浮的带有辐条结构的微盘腔超声波传感器[3]，辐条结构增加了机械敏感度及机械品质因子，从而使微盘腔更容易达到热噪声限制的灵敏度。给出了微盘噪声功率谱以及其在单个频率下的超声响应（图2(c)中黑色和绿色曲线），该工作在1 kHz^-1 MHz频率范围内实现了8-300 µPa Hz^−1/2的超声波探测灵敏度。2021年，Westerveld等研究者将硅微环腔与薄膜结合，二者之间存在一个厚度为15 nm的空气隙，超声波可以通过引起薄膜振动来改变气隙的大小，从而影响微环腔的腔内光场[4]。其结构，采用直径为20 µm的微环（图2(d)），在3-30 MHz频率范围内实现了1.3 mPa Hz^−1/2的NEP。他们还设计了一个由十个微环组成的一维阵列，通过测量不同微片对超声响应的延迟，验证了阵列检测的可行性。

图2 利用光学微腔实现超声波探测的典型工作。(a) 平凹腔超声传感器[1]。(b) 硅波导标准具探测器的设计[2]。(c) 微盘机械模式附近传感器的噪声功率谱。插图：带辐条悬浮微盘的扫描电镜图[3]。(d) 光力超声传感器的示意图，由一个薄膜耦合的硅微环腔组成[4]。(e) 封装微球腔超声波检测示意图[5]。(f) 当声波传播到耦合系统时，光纤和微腔的应力场分布[6]。(g) 基于光学微腔的单颗粒振动谱测量原理图[7]。(h) 用基于硫族化合物的微环传感器阵列进行光声层析成像的示意图[8]。

2021年，北京大学的肖云峰研究团队使用胶水封装微球和光纤锥（图2(e)），使超声传感器更紧凑和抗环境干扰，并且利用该超声波传感器实现了70 MHz的宽带响应和叶脉的三维光声成像[5]。2022年，他们利用微球腔与光纤耦合的系统研究了耗散耦合机制[6]，在该耦合体系中，超声波引起的光纤锥位移远远大于微球腔本身的机械位移（图2(f)），因此测量光纤锥与微球间距的变化是一种有效的检测机制，该工作中展示了耗散耦合引起的超声波的响应比色散耦合机制高出两个数量级。2023年，肖云峰研究团队创造性地提出了介观尺度颗粒振动测量的微腔方案，将振动谱测量范围推进到MHz-GHz频率窗口[7]。该方案利用光声效应激发介观尺度颗粒物的固有振动，其以声波形式与高品质因子微腔光学模式耦合，从而实现了单颗粒固有振动的超高灵敏实时检测（图2(g)）。2023年，中山大学的李朝晖研究团队展示了硫族化合物微环阵列的光声层析成像[8]，通过合成数字光频率梳与微环腔阵列结合，他们开发了一种有效的并行询问该传感器阵列的方法（图2(h)），并且实现了叶脉和活斑马鱼的光声层析成像。

2023年，中国科学院物理研究所的李贝贝研究团队利用高品质因子回音壁模式光学微腔在空气环境中实现了超高灵敏度超声波探测。该团队在前期工作中利用同时具有较高光学与机械品质因子的微芯圆环腔，已实现热噪声主导的灵敏度，从而将空气中的微腔超声波探测拓展至MHz以上，在0.25 MHz-3.2 MHz频率范围内实现了46 μPa Hz^-1/2-10 mPa Hz^-1/2的灵敏度，相应的峰值力灵敏度达到118 fN Hz^-1/2，超过之前微腔超声波探测器中的最高力灵敏度记录(370 fN Hz^-1/2)[9]。为进一步提高kHz频段的超声波灵敏度，该团队系统研究了热噪声主导的灵敏度随微腔半径与厚度的关系，并利用微盘腔演示了微帕量级的高灵敏度超声波探测[10]。他们制备了不同半径和厚度的悬浮回音壁模式微盘腔（图3(a)），并在空气中测量了从kHz-MHz频率范围内的灵敏度，其光学品质因子约为106（图3(b)）。基于自行设计的测量装置（图3(c)为示意图），利用电学频谱分析仪(ESA)来测量微腔的热噪声谱（图3(d)），并采用矢量网络分析仪(VNA)扫描施加的超声波的频率来测量微盘的系统响应，最终得到微盘腔的超声波灵敏度（图3(e)）。他们利用半径为300 μm、厚度为2 μm的微盘，在82.6 kHz盘腔二阶拍动模式处实现了1.18 μPa Hz^−1∕2的超声波探测灵敏度，该灵敏度是目前微腔超声波探测器中的最高记录。

图3 (a) 微盘腔的光学显微镜图像。(b) 1550 nm附近微腔的透过率谱。(c) 超声波探测实验装置示意图。(d) 微腔超声波探测器的噪声功率谱（黑色实线）与在83 kHz频率处施加了超声波信号的响应谱（绿色实线）。(e) 微腔超声波探测器的灵敏度谱。

目前光学微腔超声波探测器虽然已经实现了较高的灵敏度，但距离实际应用还有一段路要走，面临和需要解决的挑战如下：（1）空气环境中的高灵敏度超声波探测。由于声阻抗不匹配，超声在不同介质的界面上会经历较大的损失，为了补偿超声波在空气中较大的损耗，空气耦合的超声波传感器需要更高的灵敏度。（2）高密度、低成本的传感器阵列探测系统。虽然光学微腔易于实现大规模制造，成本较低，但其光学测量系统，包括激光器、探测器等，仍然较为昂贵。对于超声成像或光声断层成像等应用，往往需要几十甚至上百个超声波传感器阵列，因此利用光学微腔传感器阵列的成本依然较高。为使光学微腔超声波传感器走向实用与商业化，需要将低成本的片上集成的激光器和探测器与微腔集成。（3）快速成像。目前已经利用光学微腔实现了光声信号的测量，并且得到不同生物组织器官的光声成像图案，然而测量过程需要长时间的扫描，对于实际应用场景，实现快速成像是必要的，因此发展快速探测方法及图像重建方法也是目前微腔超声波探测器所面临的挑战。

光学微腔中获得的优异的超声灵敏度可以扩大超声检测技术的检测范围，如增加光声成像的检测深度。由于空气中阻抗不匹配与传播损耗大等因素，超声波探测灵敏度的提高对空气中的超声检测具有十分重要的意义。目前，光学微盘腔的制造工艺相对成熟，可以在硅芯片上进行大规模生产。在未来工作中，进一步采用具有更高光学品质因子和光力耦合强度的微腔，可以极大地提高超声波传感器的带宽。为了提高微腔超声波传感器的片上集成度，可采用波导耦合的微腔体系（例如硅、氮化硅微腔等）来实现超声传感器芯片阵列，从而实现光声成像和光谱学等实际应用。

回音壁模式光学微腔具有极高的品质因子与较小的模式体积，可以极大增强光与物质相互作用强度，已成为实现高灵敏传感器的理想平台。近年来基于光学微腔的超声波探测器已实现了前所未有的高灵敏度，有望超越现有技术，从而应用于超声诊断、光声成像、无损探伤、声呐、水声通信等方面，因此，当前有必要大力发展此项技术，将来在民用与军用等方面发挥重要作用。

推介人

柴国志，兰州大学“萃英学者”，物理科学与技术学院教授。主要从事基于布里渊散射的磁振子行为、微波光子-磁振子耦合、高频磁性材料、磁性功能器件等方面的研究。

参考资料

1. J. A. Guggenheim, J. Li, T. J. Allen, R. J. Colchester, S. Noimark, O. Ogunlade, I. P. Parkin, I. Papakonstantinou, A. E. Desjardins, E. Z. Zhang, and P. C. Beard, “Ultrasensitive plano-concave optical microresonators for ultrasound sensing,” Nat. Photonics 11, 714 (2017).

2. R. Shnaiderman, G. Wissmeyer, O. Ülgen, Q. Mustafa, A. Chmyrov, and V. Ntziachristos, “A submicrometre silicon-on-insulator resonator for ultrasound detection,” Nature 585, 372 (2020).

3. S. Basiri-Esfahani, A. Armin, S. Forstner, and W. P. Bowen, “Precision ultrasound sensing on a chip,” Nat. Commun. 10, 132 (2019).

4. W. J. Westerveld, M. Mahmud-Ul-Hasan, R. Shnaiderman, V. Ntziachristos, X. Rottenberg, S. Severi, and V. Rochus, “Sensitive, small, broadband and scalable optomechanical ultrasound sensor in silicon photonics,” Nat. Photonics 15, 341 (2021).

5. J. Sun, J.-W. Meng, S.-J. Tang, and C. Li, “An encapsulated optical microsphere sensor for ultrasound detection and photoacoustic imaging,” Sci. China Phys. Mech. Astron. 65, 224211 (2021).

6. J.-W. Meng, S.-J. Tang, J. Sun, K. Shen, C. Li, Q. Gong, and Y.-F. Xiao, “Dissipative acousto-optic interactions in optical microcavities,” Phys. Rev. Lett. 129, 073901 (2022).

7. S.-J. Tang, M. Zhang, J. Sun, J.-W. Meng, X. Xiong, Q. Gong, D. Jin, Q.-F. Yang and Y.-F. Xiao, “Single-particle photoacoustic vibrational spectroscopy using optical microresonators,” Nat. Photonics (2023).

8. J. Pan, Q. Li, Y. Feng, R. Zhong, Z. Fu, S. Yang, W. Sun, B. Zhang, Q. Sui, J. Chen, Y. Shen and Z. Li, Parallel interrogation of the chalcogenide-based micro-ring sensor array for photoacoustic tomography, Nat. Commun. 14, 3250 (2023).

9. H. Yang, Z.-G. Hu, Y. Lei, X. Cao, M. Wang, J. Sun, Z. Zuo, C. Li, X. Xu, and B.-B. Li, “High-sensitivity air-coupled megahertz-frequency ultrasound detection using on-chip microcavities,” Phys. Rev. Appl. 18, 034035 (2022).

10. H. Yang, X. Cao, Z.-G. Hu, Y. Gao, Y. Lei, M. Wang, Z. Zuo, X. Xu, and B.-B. Li, “Micropascal-sensitivity ultrasound sensors based on optical microcavities,” Photon. Res. 11, 1139 (2023).

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为推动中国的应用物理研究，中国物理学学会和中科院物理所“应用物理中心“合作推出《应用物理前沿推介》专栏，用以推动应用物理的学科教育，推介国际应用物理前沿的最新重要成果，把握有重大应用潜力的物理研究动态，促进不同学科和不同领域之间的交叉融合，激发新的原创思想，使物理研究更好地服务国家战略需求。

中国物理学会特别成立了“应用物理前沿推介委员会”，同时将鼓励各方向召集人牵头组织针对所在领域的专题讨论会，使广大物理同行以未来重大应用为牵引，进行有深度的学术研讨，促进优秀科学家之间的思想碰撞，激发科学家提出有颠覆性应用潜力的新原理、新方法、新技术路线和新概念。

专栏推介文章由“前沿推介委员会”委员亲自或邀请知名专家撰稿，具有前瞻性(Foresight)，易读性(Accessibility)，洞察性(Insights)，快速性(Timeliness)和突出性(Highlights)等特色亮点。

中国物理学会

应用物理前沿推介委员会

主    任：吴义政， 复旦大学

副主任：杨海涛，中科院物理所

一、传感与探测方向

召集人：柴国志

委   员：王鹏、彭斌、黄晓砥、贺晓霞

二、量子精密测量方向

召集人：荣星

委   员：屈继峰、刘刚钦、杜关祥、鲁大为

三、新型信息载体与技术方向

召集人：黄元

委   员：李志强、郝玉峰、叶堉、张金星

四、微波与太赫兹物理与技术方向

召集人：孙亮

委   员：齐静波、陶洪琪、李龙、高翔

五、光子与光电子学方向

召集人：肖云峰

委   员：魏钟鸣、王建禄、李家方、邓震

六、功率半导体物理与器件方向

召集人：孙钱

委   员：黄森、江洋、周弘、王俊

七、材料物理方向

召集人：于浦

委   员：柳延辉、刘淼、周家东、于海滨

八、低温物理与技术方向

召集人：金魁

委   员：程智刚、刘楠、李雪、沈俊

九、能量转化、存储与传输方向

召集人：禹习谦

委   员：史迅、刘明桢、赵怀周、王凯

十、极端条件物理与技术方向

召集人：吉亮亮

委   员：于晓辉、周睿、胡建波、付恩刚

END

设计：陈   龙

排版：陈   龙

美编：张   悦

主编：吴义政

副主编：杨海涛

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