2024.07.09. 中国科学院物理研究所团队在《Light: Science & Applications》上发表综述型文章 “Ultrasound sensing with optical microcavities”，光学微腔超声传感。
超声换能器在生物医学成像、工业无损检测等领域发挥着重要作用。使用压电换能器的传统超声传感器（典型尺寸为毫米到厘米尺度）在小型化时面临灵敏度和空间分辨率的限制。为了克服这些挑战，光学超声传感器已成为一种有前途的替代方案，具有高灵敏度和空间分辨率。特别是，利用高品质因数 (Q) 光学微腔的超声换能器在灵敏度和带宽方面实现了前所未有的性能，同时还能够在硅芯片上进行大规模生产。在这篇综述中，重点关注使用三种光学微腔的超声传感应用的最新进展：Fabry-Perot 腔、π-相移布拉格光栅腔和回音壁模式光学微腔。概述了这些微腔所采用的超声传感机制，并讨论了优化超声换能器的关键参数。此外，还调查了使用这些基于微腔的方法在超声传感方面的最新进展，重点介绍了它们在不同检测场景中的应用，例如光声成像、测距和粒子检测。本次综述的目的是全面了解光学微腔超声传感的最新进展及其在高性能超声成像和传感技术未来发展的潜力。
超声换能器应用示例
超声传感在各个领域都有广泛的应用，包括生物医学成像、工业无损检测和交通系统。所有这些不同的功能只能通过合适的超声换能器来实现。
压电换能器已广泛应用于超声传感的工业和临床应用中，并且在过去几十年中已成为主要的超声传感器。这些传感器利用压电效应将超声波信号转换为电信号，并测量压电材料变形产生的电势差。然而，这些传感器在灵敏度、带宽和小型化方面存在局限性。实现更高的频率具有挑战性，并且随着尺寸的减小，灵敏度迅速下降，导致传感器尺寸通常在毫米到厘米范围内。为了克服这些限制，微机械技术的最新进展引入了微机电系统（MEMS）超声传感器，例如电容式微机械超声换能器（CMUT）和压电微机械超声换能器（PMUT），它们提供了更高的响应带宽和灵敏度，以及集成和小型化的潜力。CMUT 结构通常表现出显著的机电耦合系数，然而，在实际应用中，CMUT 通常需要高偏置电压，从而导致大量功耗和有限的生物相容性。另一方面，PMUT 性能明显受到压电材料的特性和换能器中存在的残余应力影响。由于材料特性和传感机制，CMUT 和 PMUT 都容易受到电磁干扰，并且它们的不透明传感器结构给多模态成像带来了挑战。
近年来，光学超声传感器已成为超声传感领域的一个有前途的方向，提供增强的灵敏度和集成能力。这些传感器经历了不断的小型化，从自由空间光路过渡到光纤路径，现在又过渡到片上集成工艺。光学微腔，如Fabry-Perot（F-P）腔、π-相移布拉格光栅腔（π-BG）和回音壁模式光学微腔（WGM）等，已被用来进一步提高超声灵敏度。
不同类型的光学微腔超声传感器和传感机制
法布里-珀罗腔超声换能器
F-P 腔是最基本的光学谐振腔类型，广泛应用于众多传感器。这些腔体采用两个高反射镜将光限制在它们之间，可以利用自由空间光传播、光纤或芯片集成结构来创建。大多数基于 F-P 腔的超声换能器都是在光纤末端创建的，入射到薄膜上的超声波会引起腔长度的变化，从而调制反射光的强度。
用于超声波传感的不同类型的 F-P 腔
光纤上传感器的另一大优点是它可以深入组织内进行内窥镜成像。Colchester 等人演示了全光学旋转 B 模式脉冲回波超声成像系统。使用远端带有多壁碳纳米管和聚二甲基硅氧烷复合涂层的光学探头（图 e）。该涂层通过光声效应产生轴向超声波，而其旁边的 F-P 腔可以接收组织回声，实现了一种紧凑且微创的探测。图 f 显示了使用该系统获得的离体猪颈动脉的旋转光学超声图像。
用于光声成像的 F-P 腔超声换能器
π相移布拉格光栅超声换能器（π-FBG）
布拉格光栅是一种具有周期性折射率的结构。当满足布拉格条件时，在很小的频率范围内有很高的反射率。将声波施加到布拉格光栅会改变其有效折射率和周期，从而改变布拉格光栅的反射率。
π-FBG 还可以与光学显微镜有效结合，实现多模式成像。如图 b所示，π-FBG 和声谐振腔可以紧凑地集成，增强超声响应。与光纤上的 F-P 腔类似，π-FBG 也可用于内窥镜检查。Wang 等人报道了一种全光学血管内超声（AO-IVUS）成像系统，利用 π-FBG 进行超声检测（图 d）。这种全光学技术可实现超宽带 (147%) 和高分辨率 (18.6μm) IVUS 成像，超越了传统技术的能力。
微环超声换能器
由于过去几十年硅光子技术的进步，硅微环也被广泛用于超声波传感。该技术实现了在绝缘体上硅 (SOI) 平台上经济高效地大规模生产硅微环腔。为了提高硅微环对超声波的响应，开发了基于声膜的光学微机械超声波传感器。这涉及到蚀刻掉硅微环下方的硅衬底的微加工过程，从而增加机械顺应性。这种悬浮硅膜已成功实现了低至 0.4 Pa 的超声压力 。 在最近的一项研究中，Pan 等人成功研制出了包含 15 个微腔的超高灵敏度光学超声传感器阵列（图 e），并融合新型通信算法数字光频梳技术（图 f），开展基于硫系片上阵列器件结构的并行信号解调及光声计算成像相关研究。其中单个微环传感器具有 175 MHz（-6 dB）的检测带宽和 2.2 mPaHz−1/2的噪声等效压力，并对高速动态粒子、静态叶脉（图 g）和活体斑马鱼等展示了光声计算成像结果。
微盘和微环形超声换能器
不同光学微腔超声检测性能总结
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