第一作者：孙伽略

通讯作者：孙伽略，张方醒

通讯单位：北京大学长三角光电科学研究院

研究背景

光学回音壁（WGM）微腔通过束缚光场、延长光子寿命的方式增强单位体积的能量密度，可以极大地增强光与物质的相互作用，具有高品质（Q）因子、小模式体积的显著优势。传统压电超声探测方案，在抗电磁干扰、尺寸与灵敏度的矛盾性、大带宽需求等方面存在着一定的瓶颈。纯光学超声探测方案，尤其是WGM微腔方式为高灵敏超声探测和大带宽需求的光声/超声成像带来了新的机遇，但同时WGM微腔如何在实际的应用中真正发挥作用，增加其适用范围和普及性，成为重要的探索方向。

文章简介

WGM微腔虽然具有微米级的小尺寸优势，但片上微腔（包括耦合光纤和支撑基板）的实际尺寸通常在传感探头处达到几毫米甚至更大，在非常狭窄的空间（如血管内窥镜）内探测或对表面不均匀的目标进行近场检测等场景仍然面临挑战。另外，对于介观振动光谱的大频率跨度（MHz-GHz）和超高灵敏度要求，微腔方案被视为最有效的解决方案，但如何在非洁净环境或者复杂场景下应用，也面临着巨大的挑战。近期，北京大学长三角光电科学研究院微纳光学精准检测研究室的孙伽略和张方醒团队提出了一种微腔探针的器件化方案，可用于高灵敏度超声探测和振动谱测量，相关工作以WGM microprobe device for high-sensitivity ultrasound detection and vibration spectrum measurement 为题发表在Frontiers of Optoelectronics 2025年第18卷。

图文简介

创新点一：微球探针器件化设计

研究团队为了实现微腔的真正探针化、器件化，且抗污染、可控性强，设计了如图1所示的方案，采用U型拉锥光纤侧面耦合微球方式，并特别设计针对性全封装工艺。这种平行耦合技术可充分发挥微球的小型化优势。另外利用低折射率胶水薄层封装，可使得微球既能高效响应超声，又具有抗污染的水下应用能力。

图1 微球探针耦合与封装示意图

封装后的器件用玻璃和金属外壳保护，微球探针位于器件顶端，根据需要可调节伸出端面的距离。另外整个器件进行了标准APC接口的光纤成端，可实现即插即用的便捷性，同时品质因子可超过10⁷，如图2所示。

图2 封装后器件形态与品质因子性能测试

创新点二：高灵敏超声探测与振动谱测量

微球探针器件的声学响应如图3所示，通过使用水听器标定过的压电换能器，测量探针的噪声等效压强为24 Pa,利用准二维材料的光声信号测得-6 dB带宽为41 MHz，并且具有全向的角度接收能力。

图3(a)微球探针模式锁定后的超声响应信号。(b)(c)分别是接收到50 nm铜膜光声信号的时域和对应的频域分布情况。(d)角度响应情况

为了验证器件的鲁棒性和水下环境的适用性，研究人员设计了基于微球探针的光声显微成像实验，如图4所示，样品分别是头发、金属字样、蚂蚁，从图中可以看到其较高的对比度和清晰的轮廓。

图4(a)(b)图分别为绷直的头发丝和自由弯曲的头发丝光声图像。(c)金字样光声成像。(d)蚂蚁的光声显微成像

进一步的，研究人员设计了聚苯乙烯（PS）微球的振动谱测量实验，将半径为2.8微米的PS微球转移吸附到微球探针端面，并使用532nm的脉冲光激发PS小球的振动，通过光学微球探针，成功获得了其振动谱，如图5所示，其傅里叶频谱与理论计算一致。高频的振动信号可经由微米级厚度的胶水薄层无畸变的传递到微球探针探测器上，这也是首次在器件化水平方案中实现高频振动谱的测量，测量动态范围预计可达GHz。本器件在设计中通过优化微球连接杆粗细，耦合位置，胶水封装层厚度以及封装步骤等优化微球探针响应，这也是本方案的创新之一。

图5 聚苯乙烯颗粒振动谱测量的时域和频域图。

总结和展望

在此工作中展示了一种具有高Q因子的WGM微探针设计方案，适用于超灵敏的超声检测、光声成像以及振动谱测量。这种新型的耦合封装方法，使得微球耦合区域被一层薄的低折射率聚合物安全包裹，确保了微腔模式的高稳定性，而不影响超声波的检测，同时具有抗污染的特性。我们相信本工作提供了一种稳定、高品质因子、适用于复杂环境的全封装解决方案，对促进WGM微腔从实验室走向工业应用具有重要的借鉴和参考价值。随着可调谐激光器的小型化和便利化，微腔系统将具有更广阔的应用前景。