高靈敏度、小型化的超聲探測器在諸多方面發揮著重要應用，例如醫學診斷、光聲成像、無損檢測等。目前，商用的超聲波探測器主要采用壓電換能器，但為了實現較高的靈敏度，往往需要較大的尺寸，其傳感器的典型尺寸一般為毫米到厘米。近些年來，隨著微納光電技術的發展，在硅芯片上微加工制備得到的光學超聲波探測器可同時實現較高的靈敏度和空間分辨率。其中，微腔光力系統由于其高靈敏度、寬帶寬、低功耗和易于集成等優越特性，引起越來越多的關注。由于微腔光力系統中的較強光力相互作用，微腔的機械位移可以通過光學共振信號來敏感讀出。由于機械共振增強了響應，且光學共振可增強讀出靈敏度，因此微腔光力系統已被證實是位移、質量、力、加速度、磁場和聲波等物理量的高靈敏探測理想平臺。

前期工作中，研究人員已在各種體系的光學微腔中實現超聲波/聲波的探測，例如二氧化硅微腔、聚合物微腔、硅微腔等。多數超聲波探測是在液體環境中實現的。而在空氣環境中，由于超聲波吸收損耗大，且聲源/空氣界面處的阻抗失配大，高靈敏度的超聲波探測依然頗具挑戰。前期工作中，空氣耦合的超聲波探測只在1 MHz以下頻段實現。空氣耦合的超聲波探測在一些特定場景中具有重要應用，例如氣體光聲光譜和非接觸式超聲醫學成像等。

為了提高空氣耦合的超聲波探測靈敏度，并拓展探測頻率范圍，近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心研究人員使用微芯圓環腔演示了在MHz頻率范圍內的空氣耦合高靈敏度超聲波探測。

在該工作中，研究人員通過光刻、氫氟酸腐蝕、氟化氙刻蝕、二氧化碳激光回流的微加工工藝，制備了帶有較細的硅基座的微芯圓環腔，從而減少來自襯底的機械運動的約束，獲得了在2.56 MHz的一階拍動模式下約700的高機械品質因子，同時光學品質因子達到107以上。憑借較高的光學和機械品質因子，以及與超聲波具有較大空間重疊的2.56 MHz的一階拍動模式，他們在機械模式附近0.6 MHz的頻率范圍內實現了僅受熱噪聲限制的靈敏度，在0.25-3.2 MHz的頻率范圍內實現了46μPa/Hz1/2-10 mPa/Hz1/2的靈敏度。此外，他們在機械共振頻率下利用超聲波驅動傳感器時觀察到了二階和三階機械邊帶，通過測量不同超聲波壓強(P)下的信噪比(SNR)，發現一階、二階和三階機械邊帶的分別與P、P2和P3大致成正比，三個機械邊帶上的測量強度與理論結果一致。這種非線性轉換提供了一種擴展位移傳感動態范圍的方法。

該研究演示了一種基于微芯圓環腔的空氣耦合高靈敏度MHz頻段超聲波探測方案，實現了寬帶、高靈敏度超聲檢測。這項工作拓寬了使用微腔光力系統進行空氣耦合的超聲波探測的頻率范圍，并獲得了較大頻率范圍的熱噪聲主導區域。相關研究成果以High-Sensitivity Air-Coupled Megahertz-Frequency Ultrasound Detection Using On-Chip Microcavities為題于近日發表在Physical Review Applied上。相關研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金委項目和中科院基礎前沿科學研究計劃的支持。

圖1(a)微芯圓環腔的光學顯微鏡圖。(b)模擬的回音壁模式的基模光場分布。(c)1550 nm附近微腔的透過率譜。(d)超聲波探測實驗裝置的示意圖。

圖2(a)微腔超聲波探測器的噪聲功率譜（黑色實線）與在2.56 MHz頻率處施加了超聲波信號的響應譜（綠色實線），虛線為計算得到的理論噪聲。(b)微腔超聲波探測器的系統響應，即微腔對不同頻率的超聲波的響應。(c)微腔超聲波探測器的壓強（左軸）和力（右軸）靈敏度譜。

圖3(a)施加單頻超聲波后不同階機械邊帶的響應。(b)一階、二階、三階機械邊帶的與超聲波壓強的關系。