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最近小编从往上看到了一篇来自上海大学团队的文章，他们利用双光子打印技术，在光纤端面打印3d结构实现了弹簧FP谐振腔。有感于作者团队的才华横溢，奇思妙想，小编决定将文章分享给大家。

划重点（双光子3D打印代工）

在光纤端面亦或其他基底材料上通过双光子3D打印的方式一直是科研工作者研究的关注点，但是由于高精度双光子3D打印的设备极其昂贵，技术也较为前沿，许多科研工作者乏于寻找可靠的，高效率的加工提供商。

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摘要

光纤微谐振器因其紧凑的尺寸和高光学质量而引起了人们对声学检测的极大兴趣。在这里，我们提出、设计并制造了一种基于弹簧的法布里-佩罗腔微谐振器，用于高灵敏度的声学检测。我们观察到两种谐振器振动模式：一种与弹簧振动状态有关，另一种由点夹圆板振动模式决定。我们发现，通过改变结构尺寸，可以对振动模式进行耦合和优化。所提出的谐振器通过双光子聚合直接3D打印在光纤尖端上，用于声学探测和成像。实验表明，该装置 2.39 mPa/Hz1/22.39 mPa/Hz1/2 在75 kHz时表现出高灵敏度、低噪声的等效声信号电平，可以检测微弱的声波，可用于水下目标成像。结果表明，所提出的工作在声学探测和生物医学成像应用中具有巨大的潜力。

1. 引言

基于声波的传感和成像方法已在生物医学成像和水下安全监测等各种重要应用中得到广泛研究[1–3]。在这些应用中，关键作用是开发具有高灵敏度、宽带宽和高频响应的声学/超声波传感器。通常，使用基于压电的传感器和换能器，因为它们可以以超高灵敏度和相对较高的带宽响应高频声波。然而，在高频下，从传感元件到检测的电传输可能会产生噪声，并且在非常高的响应频率下制造可能会出现问题。鉴于这些局限性，有一些基于光学传感器的替代品，特别是光纤传感器，如光纤布拉格光栅 （FBG） [ 4， 5]、光纤法布里-佩罗干涉仪 （FPI） [ 6– 8]、光纤迈克尔逊干涉仪 （MI） [ 9， 10]、光纤马赫-曾德尔干涉仪 （MZI） [ 11， 12] 和 Sagnac 干涉仪 （SI） [ 13， 14]。这些选项都具有吸引人的优势，包括抗电磁干扰和紧凑的尺寸，这对于声学传感和成像来说可能非常有趣。与其他光纤声学传感器相比，FPI微谐振器可以通过简单的制造方法小型化为光纤探头，并具有高灵敏度[15–18]。基于FPI的声学传感器的基本原理是调节腔间距的薄膜片的振动，以及调节腔折射率的弹性光学效应。然而，二氧化硅的刚度可能是声波诱导应变传感的一个基本限制。

为了克服这个问题，人们已经提出并演示了从功能材料到新型结构的各种方法，用于高灵敏度的声波传感。对于膜片式FP传感器，具有高弹性特性的聚合物基功能材料已被用于设计高灵敏度FP声学传感器[ 15， 16]。为了进一步提高灵敏度，已经提出了用于高灵敏度声学传感的二维材料，因为振膜可以超薄[17\u201219]。然而，这种传感器的制造很复杂，并且容易因传感器而异。另一种方法是设计柔性结构[20–22]，例如波纹结构微弹簧，其具有柔韧性和低刚度，可以显着提高灵敏度。为了进一步改善这种相互作用，Yao等人提出了一种螺旋悬挂的光机微谐振器，该谐振器使用基于数字光处理（DLP）的3D微打印技术[ 23]。由于其低刚度共振，该器件具有 118.3 mV/Pa 的灵敏度和音频范围内的 0.328 μPa/Hz1/20.328 μPa/Hz1/2 低噪声等效声压级，可用于低频麦克风应用。请注意，目前的设计主要集中在敏感的膜片或谐振支架上，而没有考虑器件之间的模式耦合，这会显著影响传感性能。

在这项工作中，我们提出了我们认为，据我们所知，是一种用于声波传感和成像的新型光机谐振器。该设备由一个薄隔膜组成，该隔膜连接到几个弹簧，这些弹簧充当支撑，所有这些弹簧都通过双光子聚合直接3D打印在光纤尖端上。优化谐振频率，以研究板和弹簧振动之间的模态耦合。在0-3 MHz范围内发现了几种高阶板域振动模式，这些振动模式可以通过弹簧振动模式或点夹紧圆板振动模式来确定。实验表明，该器件具有较高的灵敏度，可以检测微弱的声波。

2. 模型设计与仿真

图 1 显示了所提出的 FP 腔谐振器，它由几个弹簧作为支撑组成。根据机械振动理论，弹簧的谐振频率由[24]给出

其中 𝑟� 是导线半径，是弹簧的外半径，是有源线圈的数量， 𝑁� 和 𝐸� 、 分别是 𝑅� 材料的杨氏模量、 𝜌� 𝜈� 密度和泊松比。这里使用光刻胶（IP-Dip Nanoscribe GmbH and Co. KG， Eggenstein-Leopoldshafen， Germany）进行模拟。请注意，具有低刚度的弹簧可以增强设备的振动幅度，以进行声波压力传感（在低频下）。图1（a）显示了该装置的原理图，其中 𝑝� 是弹簧的螺距， 𝑙=𝑝×𝑁�=�×� 是弹簧的自由长度。对于FP腔，薄板可以通过弹簧夹紧，如图1（a）所示。基于钳形圆振动理论，谐振模态与[25]

其中 ℎℎ 和 是板的厚度和 𝑟𝑝�� 半径。这表明FP腔体长度将受到板振动的调节。图1（b）显示了所提出的器件模型，该模型可以通过双光子直接激光写入直接在光纤尖端上制造。组合结构（带弹簧支架的板）的精确谐振模式只能使用 COMSOL Multiphysics 软件进行数值评估。在水下环境中，获得81.2 kHz（M1）的谐振频率，如图1（c）所示，其中弹簧有、、、、，板有 𝑟=3 μm�=3 μm 𝑟𝑝=50 μm��=50 μm 、 ℎ=5 μmℎ=5 μm 𝑅=9 μm�=9 μm 𝑝=10 μm�=10 μm 𝑁=5�=5 、，输入声波压力为100 Pa。该设备还具有其他高阶振动模式，由弹簧和板之间的耦合决定。在0-3 MHz范围内，在654.4 kHz（M2）、819.5 kHz（M3）和890.1 kHz（M4）的几种高阶板域振动模式中发现了几种高阶板域振动模式。这些模式的3 dB带宽分别为0.29 kHz、0.49 kHz和0.27 kHz，分别对应于2256.9、1672.4和3296.7的声学Q值。可以通过改变弹簧和板的参数来改变刚度来优化这种联轴器。在这里，我们分别模拟了弹簧和圆板在参数变化时刚性约束下的频率，然后将其与器件的一阶振动模式进行比较。

图1.基于弹簧的FP光机腔谐振器。（a） 弹簧谐振器和基于纤维尖端的FP腔的示意图，其中弹簧用作低刚度的支撑。（b） 用于声波探测和成像的FP腔微谐振器示意图。（c） 用于水环境中声波传感的装置的模式模拟。当参数最初设置为 、 、 𝑟=3 μm�=3 μm 、 𝑁=5�=5 、 𝑟𝑝=50 μm��=50 μm 𝑅=9 μm�=9 μm 𝑝=10 μm�=10 μm 时 ℎ=5 μmℎ=5 μm ，在 0 到 3 MHz 范围内有四种振动模式：模式 1 为 81.2 kHz （M1），模式 2 为 654.4 kHz （M2），模式 3 为 819.5 kHz （M3），模式 4 为 890.1 kHz （M4）。

图 2 显示了每个部件和系统的振动模式仿真。在这里，板的半径和厚度设置为 50 μm 和 1 μm。从图2（a）可以看出，随着外半径的增大，弹簧的谐振频率减小，而板的谐振频率增加。对于整个器件，由于弹簧和板之间的模式耦合，频率会降低。注意，如果导线半径增大，弹簧的谐振频率增加，刚度会很高，而板膜的频率由于连接的增加而略有增加;因此，整个器件的谐振频率增加，如图2（b）所示。请注意，支撑条件随着外半径和导线半径的变化而变化，这会导致板膜的谐振频率也发生变化。

图2.整个器件及其各个部件的谐振频率特性与（a）外半径、（b）导线半径、（c）线圈数和（d）间距等参数有关。在这些仿真中，假设单个器件受到严格约束，则研究单个器件的谐振频率。

此外，还研究了线圈数和螺距的影响。研究发现，弹簧的频率随着线圈数量的增加而减小，而板膜的频率几乎不变。因此，谐振频率随后降低，如图2（c）所示。当音高变化时，器件的频率不会发生明显变化，如图2（d）所示。有趣的是，频谱可以分为三个区域：弹簧主导区、板块主导区和最大耦合区。根据频谱，可以设计具有不同域振动模式的每个器件进行声波检测。

弹簧的刚度不随板厚的变化而发生显著变化，而板的谐振频率随厚度的增加而显著增加，如图3所示。图3（a）显示了当外半径、导线半径、间距和线圈数分别为9 μm、3 μm、10 μm和5时，膜的频率与厚度的关系。当膜厚度发生变化时，仍然会发现这三个区域，如图3（b）所示。由于板膜的频率明显大于弹簧的频率，因此器件的谐振频率几乎不变，这主要是由弹簧决定的。

图3.器件系统和各部件与板膜的谐振频率行为，与（a）0.5至10μm和（b）0.5至3μm范围内的厚度参数相关，其中外半径为9μm和7μm。

3. 制造和表征

A. 制造

基于仿真结果，设计了以弹簧为主的FP光机腔，并采用直接激光写入技术通过双光子聚合制备了该腔。首先，将一块单模光纤切割并由光纤支架安装，然后浸入光刻胶液滴（IP-Dip，Nanoscribe）中，该光刻胶在 63×63× 浸没物镜上制备。在这里，该器件由商用双光子3D激光光刻系统（Photonic Professional GT2，Nanoscribe）制造，该系统基于波长为780 nm的飞秒激光，重复频率为80 MHz。首先，光束直接聚焦在光纤尖端上。为了增加光纤和印刷设备之间的附着力，第一层书写层位于光纤内部。此外，对功率激光器和写入速度进行了优化，以获得具有光滑表面的结构[ 26， 27]。

首先，打印了两个腔长分别为 50 和 140 μm 的器件。弹簧的外半径为9μm，线半径为3μm，线圈数为5，节距为10μm，板的厚度为5μm，半径为50μm。图4（a）和4（b）显示了具有不同腔长的器件的扫描电子图像和显微图像。图4（c）和图4（d）显示了器件在大气和水生环境中的归一化反射光谱。可以看出，在水中的反射率降低;但是，条纹对比度略有增加。样品 2 （S2） 具有 30 dB 的大条纹对比度，远高于报道的 3D 打印 FP 设备。在这里，具有较长腔体的 FP 器件显示出来自光纤尖端和隔膜的可比反射，这导致了高条纹对比度。请注意，灵敏度与此值相关。因此，在下面的实验中，使用具有长腔的FP进行声波传感。请注意，支撑柱可以振动，然后可以改变设备的谐振频率。因此，支撑柱的尺寸设计得足够大，以避免耦合。

图4.3D打印设备的结果。（a）扫描电子图像和（b）制造的微谐振器的显微图像。（c）和（d）装置在大气和水生环境中的反射光谱。

为了进一步研究基于光纤尖端的双光子 3D 制造，制造了一些 FP 器件。由于外半径、导线半径、线圈数和螺距等参数用于调整弹簧共振行为，因此选择不同的外半径来制造弹簧调谐结构，如图 5 所示。图 5 中每个图的顶部显示了制造装置的显微图像。图5（a）、5（b）和5（c）的底部显示了当膜片厚度为5μm时，外半径分别为7 μm、9 μm和11 μm的弹簧调谐装置的反射。图5（d）-5（f）显示了当膜片厚度为1μm时具有不同外半径的器件的反射。可以看出，浸入水中的设备显示出额外的损失。由于制造问题，一些条纹对比度较小。在这里，具有最高条纹对比度的器件[图5（b）]用于声波传感。

图5.器件在大气和水生环境中的反射光谱。（a）–（c） 膜片厚度为 5 μm，外半径为 （a） 7 μm、（b） 9 μm 和 （c） 11 μm 的设备。（d）–（f） 膜片厚度为 1 μm，外半径为 （d） 7 μm、（e） 9 μm 和 （f） 11 μm 的设备

 B. 超声波检测

根据对该FP腔谐振器的研究，板上的任何刺激都会引起器件的振动，然后导致相位变化。在这里，该设备的特点是声波检测。为了评估所提出的FP微器件的响应，使用由函数发生器或脉冲发生器/接收器驱动的压电超声换能器（DPR300，JSR Corp.Tokyo）产生超声波。实验装置如图6所示，其中使用可调谐激光器（TUNICS T100S-HP，EXFO，Quebec City，Quebec，Canada）作为光源。光通过环行器传输，并被设备反射并由连接数字示波器的光电探测器检测。为了表征输入的声波压力，使用了商用水听器[8104，Hottinger Brüel&KjærA/S（HBK），Virum，Denmark]。所有驱动器和传感器都浸入水箱中。为了获得最大灵敏度，激光波长被锁定在正交点。

图6.声波探测实验装置示意图。

首先，研究了器件的低频响应，如图7所示。在测量中，声波由中心响应频率为 80 kHz 的宽带超声换能器 （UT） 产生。图7（a）和7（b）显示了制造器件的时间和频率响应。该器件的峰值频率响应为83.9 kHz，与仿真结果非常接近。为了进一步研究噪声等效声信号电平，产生了一个正弦突发信号，如图7（c）所示，其中振幅约为82.5 Pa，频率为75 kHz。图7（c）的插图显示了检测到的时间响应，频率响应显示出56.2 dB的高SNR，其转换的噪声等效声信号电平为 2.39 mPa/Hz1/22.39 mPa/Hz1/2 。

图7.器件的低频响应：（a）时间响应和（b）频率响应。（c） 设备对振幅为82.5 Pa、频率为75 kHz的正弦突发信号的声学响应。插图显示检测到的时间响应。

接下来，我们研究了该器件对频率为750 kHz的正弦声波的高频响应，方法是用突发正弦电信号驱动UT。如图8（a）所示，获得了接近800 kHz的高频模式，这与仿真结果非常接近。接下来，表征了声波压力的灵敏度，如图8（b）所示。产生了频率为750 kHz的连续正弦波。获得具有不同输入电压的检测到的信号，如图8（b）的插图所示。可以看出，检测到的输出随输入信号的幅度线性变化。斜率计算为0.0883 mV/V pp ，换算成22.4 nm/kPa的位移灵敏度。此外，还研究了该器件的角度响应。就像灵敏度实验一样，产生了频率为750 kHz的连续正弦波。图8（c）显示了检测到的信号与测试角度的计算幅度，其中插图显示了测试设置。可以看出，该器件具有较宽的角响应，使基于FP的微谐振器成为成像应用的理想方向点检测器。

图 8.（a） 器件对正弦突发信号的高声响应。插图显示了 750 kHz 下检测到的时间信号。（b） 声波压力灵敏度和 （c） 设备的角度响应。

C. 超声成像

在过去的几十年中，基于光纤的超声成像受到了相当大的关注[28–30]。除了高灵敏度外，通常表现良好的频率响应也很重要，它足够宽，可以捕获声脉冲信号中的所有相关频率。但是，对于微谐振器，通常使用谐振频率作为灵敏度，因为频率要高得多。在这里，我们选择一个非谐振频率作为数据分析的声源。为了证明超声成像的实际适用性，将制造的装置用于水下定位和成像，如图9所示。

图 9.（a） 实验装置示意图。（b） 全聚焦算法。（c） 在不同检测位置检测到的信号。（d） 重建的物体横截面图像。

图9（a）显示了使用FP微谐振器的声波位置和成像测量装置的示意图。声学信号由连接脉冲发生器（DPR300,35 MHz带宽，JSR）的水浸UT（Olympus C306,2.25 MHz中心频率，Evident Corp.，东京）产生。三根相距几毫米的钢柱安装在水下。为了实现目标定位，将所提出的FP声学装置用作基于超声全聚焦方法的移动探测器[31\u201233]。在这项工作中，UT以一定的角度固定在某个位置。产生的声信号被物体反射并由纤维尖端FP装置检测，将其浸入水中并进行线性扫描。图9（b）说明了目标定位和成像的算法。基于该算法，可以获得每个特定阶段的反射信息。图9（c）显示了一系列原始检测到的信号，没有时间平均。很明显，反射信号包含三个强峰值。根据全聚焦算法，可以检测到三个毫米级目标，重建的横截面图像如图9（d）所示，与实验中设定的值吻合较好。这表明所提出的光纤尖端装置可用于高分辨率物镜定位和成像。

4. 结论

在这项工作中，我们提出了我们认为，据我们所知，是一种新型基于弹簧的FP腔微谐振器，设计、制造并用于声波检测和成像。观察到谐振器的两种振动模式。我们发现，通过改变结构尺寸可以耦合和优化振动模式。与其他报道的微光机械FP腔相比，基于弹簧的FP谐振器表现出较高的超声灵敏度，可用于水下物体成像。这表明所提出的工作在声学检测和生物医学成像应用方面具有巨大的潜力。为了获得更高的灵敏度，可以通过优化制造问题来进一步提高器件的光学性能。对于高分辨率成像，未来可以设计传感器阵列。