RESEARCH ARTICLE

WGM microprobe device for high-sensitivity ultrasound detection and vibration spectrum measurement  

Jialve Sun , Shengnan Huangfu , Tinglan Chen , Zijing Cai , Bowen Ruan , Fangxing Zhang

2025, 18(3): 17.https://doi.org/10.1007/s12200-025-00161-7

Abstract: Whispering-gallery-mode (WGM) microcavities have emerged as a promising alternative to traditional ultrasound probes, offering high sensitivity and wide bandwidth. In our research, we propose a novel silica WGM microprobe device, with impressive Q factors up to 10⁷. The side-coupled approach and special encapsulation design make the device compact, robust, and capable of utilizing in both gaseous and liquid environments. We have successfully conducted photoacoustic (PA) imaging on various samples using this device which demonstrates a high sensitivity of 5.4 mPa/√Hz and a broad bandwidth of 41 MHz at –6 dB for ultrasound. And it is capable of capturing the vibration spectrum of microparticles up to a few hundred megahertz. Our compact and lightweight device exhibits significant application potential in PA endoscopic detection, nearfield ultrasound sensing and other aspects.

研究背景

超声波检测在临床成像、光声成像和无损检测等领域应用广泛。传统压电超声探测器在灵敏度和带宽上存在局限，而光学方法（如微环、FP干涉仪等）显示出优越性能。其中，回音壁模式（WGM）微腔因超高声学灵敏度、紧凑尺寸和全光学架构等优势成为新兴平台。然而，现有WGM超声探测器整体尺寸较大，难以在狭窄空间（如血管内窥镜）或不平整表面进行近场检测。因此，开发针状微型WGM超声探针具有迫切需求。同时，WGM微腔在介观振动谱测量中也展现出巨大潜力。

主要内容

本文提出了一种新型SiO₂微球WGM微探针器件，通过侧向耦合和特殊封装设计，实现了高Q值（~10⁷）、高灵敏度和宽带宽的超声波检测与振动谱测量。该器件结构紧凑、坚固耐用，适用于气体和液体环境。作者成功将其用于多种样品的光声成像，并测量了微米颗粒的高频振动谱。

创新点

• 侧向耦合与封装设计：提出U型折叠锥形光纤与微球侧向耦合的方法，并通过低折射率聚合物薄层封装，兼顾稳定性与超声波传输效率。

• 高性能超声探测：实现了5.4 mPa/√Hz的高灵敏度与41 MHz（-6 dB）的宽带宽，性能优于传统针状水听器。

• 全封装解决方案：采用玻璃与铝合金双层管壳封装，提升耐用性，推动WGM微腔从实验室走向工业应用。

方法

• 器件制备：通过氢焰拉锥和精密弯曲制备U型锥形光纤，与~70 μm SiO₂微球侧向耦合，采用低折射率聚合物封装耦合区，外加双层管壳保护。

• 性能表征：使用可调激光器（910–980 nm）测试微腔模式与Q值；通过超声换能器和标准水听器标定灵敏度与带宽；利用脉冲激光激发铜膜产生宽带PA信号进行频率响应测试。

• 光声成像：构建光声显微镜系统，对毛发、金膜字母、蚂蚁等样品进行二维扫描成像，提取超声幅值信息。

• 振动谱测量：将532 nm脉冲激光聚焦于附着在探针上的聚苯乙烯颗粒（半径~2.8 μm），检测其振动信号并经傅里叶变换得到频谱。

结果

• 微腔Q值高达2×10⁷，超声灵敏度NEP为5.4 mPa/√Hz，带宽41 MHz（-6 dB），接收角度范围达180°。

• 光声成像清晰呈现毛发鳞状结构、金膜字体（线宽~50 μm）及蚂蚁轮廓，横向分辨率达~2 μm。

• 成功测量聚苯乙烯颗粒的振动谱，主峰位于355 MHz，与理论预测吻合。

• 器件透射率在封装后仍保持20%以上，具备良好的环境稳定性。

总结

本研究开发了一种高性能、全封装的WGM微探针器件，兼具高灵敏度、宽带宽和多环境适用性，成功应用于光声成像和介观振动谱测量，为超声检测和振动传感提供了新型工具，尤其在腔内检测和近场传感中具有广阔应用前景。

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以上文字基于AI生成，仅供参考；请以原文为准。