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最近小编从往上看到了一篇来自华中科技大学团队的文章，他们利用双光子打印技术，在光纤端面打印3d结构实现了光纤麦克风。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。

一、简介

与基于压电传感器和换能器的电子麦克风相比，光纤麦克风具有更好的电磁抗扰性和更高的紧凑性[1,2]。其中，基于法布里‑珀罗干涉仪（FPI）的光纤麦克风因其结构简单且能够用作光纤探头而受到广泛关注。基于FPI的声学传感器的基本原理是通过声压来调制腔体长度。然而，光纤的加工精度和二氧化硅的刚度限制了传统光纤  FPI  麦克风的声学传感性能，需要对  FPI  结构和所用材料进行改进。

使用飞秒激光的双光子聚合技术能够在焦点处诱导光刻胶聚合，从而实现亚微米级精度的  3D  打印以及各种特殊结构的灵活制造。此外，高分子材料的低杨氏模量使其在声压下更容易变形[3]。李等人。利用TPP技术在光纤尖端制造桥形FPI作为声学传感器[3]。然而，桥形结构限制了腔体长度的变化，导致测量频率范围较窄。

在本文中，我们提出了一种基于微悬臂梁的光纤麦克风，以实现人类可听频率范围（20  Hz  ‑  20  kHz）内的声学传感。我们通过添加铰链改进了传统的微悬臂梁结构，增加了聚合物垫的面积，同时减小了其厚度，以增强其声学顺应性。这一修改实现了整个测量范围内超过  50  dB  的信噪比  (SNR)。

2  传感器制作及工作原理

该传感器采用飞秒激光诱导双光子聚合技术直接  3D  打印在光纤尖端上。首先，切割一段单模光纤（SMF）并将其固定在载玻片上。随后，将  10  μL  光聚合物（ATP2815，Magcanano）滴在光纤末端，确保整个光纤尖端浸没。然后，将带有光纤的载玻片放置在飞秒激光加工系统的样品台上。飞秒激光脉冲由平均功率为  5.1W  的钛蓝宝石激光系统产生。其重复频率、中心波长和脉冲宽度分别为80  MHz、8515nm和156  fs。使用  100  倍油浸物镜（Nexcope，NA  =  1.45）聚焦激光脉冲。如图1（a）所示，在制造过程中，高精度压电平台在Z方向上精确控制样品台的高度，使物镜浸入光聚合物中。这有效地减少了空气和光聚合物之间的折射率差异引起的像差，从而提高了制造的定位精度。

为了实现打印精度和速度之间的平衡，设计的微悬臂梁模型沿Z方向预切片，层高为0.1μm，并使用不同的激光能量和扫描速度打印结构的不同部分。

打印后，使用丙二醇甲醚乙酸酯  (PGMEA)  和异丙醇去除多余的光聚合物。最终我们成功制备出了聚合物光纤尖端上的微悬臂梁。该结构设计由三部分组成：2μm厚、边长45μm的聚合物垫、2μm宽的铰链和支撑柱。如图  1(b)  和  1(c)  所示，通过光学显微镜和扫描电子显微镜  (SEM)  观察到，所制造的传感器的几何尺寸与设计非常匹配。在声场压力下，薄垫和铰链表现出高灵活性，为结构提供超高的声学顺应性。

来自SMF的光将通过三个界面的反射重新耦合到纤芯中：光纤端面S1、聚合物垫的下表面S2和上表面S3，形成三光束干涉，但考虑到反射率较低由于二氧化硅/空气界面和聚合物垫的厚度仅为2μm，比S1和S2之间的气腔长度小一个数量级，因此可以通过设计气腔长度将传感器简化为双光束FPI并选择适当研究的波长范围。当声压导致聚合物垫铰链弯曲时，气腔长度发生变化导致反射光强度的调制，如图2(b)。此外，我们对⻬了薄垫的边缘尽可能靠近纤芯，以增加腔长变化程度并增强传感器的灵敏度。

图。1。  (a)  传感器的制造示意图；  (b)  微悬臂梁的光学显微镜图像；  (c)  微悬臂梁的扫描电子显微镜图像。

3  实验结果

使用光谱仪（6362C，Ceyear）和宽带光源（SC‑5，YSL  Photonics）通过循环器在室温（25°C）下测量传感器的反射光谱。从图2（a）中可以看出，传感器呈现出清晰的FP干涉条纹，条纹对比度超过15  dB，表明所制造的聚合物垫表面光滑。气腔长度L可以根据干涉光谱的自由光谱范围（FSR）计算：

确定为56.7μm，接近图1（b）所示的测量长度56μm。由于双光子聚合技术精度高，通过精确控制L，可以将最佳工作波长定位在1550nm附近，从而可以使用1550nm的普通激光器代替1550nm的激光器。可调谐激光器作为声学传感系统的光源.

图2.  (a)  传感器的反射光谱。  (b) 声 学传感系统的实验装置。

所制造的传感器的声学性能表征系统如图2（b）所示。该传感器在室温  (25  °C)  下通过循环器连接到可调谐激光器（CoBrite，ID  Photonics  GmbH）和 1 25  MHz  光电探测器（1811‑FC，Newport）。可变光衰减器（VOA）放置在光电探测器前面以控制输入光功率。示波器（MDO3104，泰克）采集检测到的信号以进行进一步处理。声音信号由驱动谐振扬声器的信号发生器（DG4102，Rigol）产生。传感器尖端与扬声器的轴线对⻬，并且两者都放置在塑料隔离盒中，以最大限度地减少环境干扰

图3。  (a)‑(c)  传感器在时域和频域的声学响应。  (a)  50Hz，(b)  1kHz，(c)20kHz。  (d)水听器和传感器的输出电压以及传感器的频率响应

首先，测量传感器在人类可听频率范围（20Hz‑20kHz）内的响应。

该传感器采用双光子聚合技术直接3D打印在光纤尖端，与其他光纤制造方法相比，该传感器具有更高的加工精度和更好的灵活性频率信号的信噪比分别为  70.46  dB、54.19  dB  和  57.2  dB，表明其在人类整个可听频率范围内都有出色的性能。随后，为了研究传感器在1‑20  kHz范围内的频率响应，对谐振扬声器在不同频率下的声压进行了校准。将商用水听器固定在距扬声器与传感器相同的距离处，并以  1  kHz  步进增量测量不同频率下水听器的输出电压幅度  Vh。由于所使用的水听器在1‑20kHz范围内灵敏度一致，因此输出电压的幅值直接代表声压的大小。用同样的方法测量了不同频率下传感器的输出电压幅值Vs。因此，通过定义S=Vs/Vh，图3（a）‑（c）分别显示了传感器在50  Hz、1  kHz和20  kHz下经过FFT处理后的时域信号和频域信号。可以观察到传感器准确地再现了时间和可以表示传感系统在不同频率下的响应灵敏度。如图3（d）所示，传感器在6  kHz处表现出最大灵敏度，这可能归因于微悬臂梁的谐振频率。传感器在不同声压和共振频率下的变形可以利用COMSOL  Multiphysics有限元（FEM）模拟方法的固体力学模块进行分析[4]。

4结论

我们提出了一种在可听频率范围  (20  Hz  ‑  20  kHz)  内具有出色  SNR  的光纤麦克风。

首先，测量传感器在人类可听频率范围（20Hz‑20kHz）内的响应。

该传感器采用双光子聚合技术直接3D打印在光纤尖端，与其他光纤制造方法相比，该传感器具有更高的加工精度和更好的灵活性麦克风。通过优化微悬臂梁参数，传感器结构简单，在整个测量频率范围内实现了超过15  dB的干涉条纹对比度和超过50  dB的信噪比。进一步的研究可以集中在传感器的超声波传感性能上，以扩大测量带宽，并模拟微悬臂梁的机械特性来解释其频率响应。

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。

小编也很有幸，曾经见到国内有团队已经实战在光纤端面做各种结构，并且得到了客户满意的效果。

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