高灵敏度、小型化的超声探测器在诸多方面发挥着重要应用，例如医学诊断、光声成像、无损检测等。然而目前成熟的超声检测技术在传感灵敏度、器件微型化与集成化等方面也面临着一些挑战。近年来，为了进一步提高超声波灵敏度，并实现传感器的微型化与片上集成，研究人员发展了多种基于光学微腔的超声波探测器。在光学微腔中利用其机械共振效应（即利用微腔光力系统）可以增强微腔对超声波的机械响应，从而进一步提高灵敏度。中国科学院物理研究所应用物理中心的李贝贝特聘研究员小组杨昊、胡志刚等人利用同时具有较高光学与机械品质因子的微芯圆环腔，已实现热噪声主导的灵敏度，从而将空气中的微腔超声波探测拓展至MHz以上，在0.25-3.2 MHz频率范围内实现了46 μPa/Hz^1/2-10 mPa/Hz^1/2的灵敏度(Phys. Rev. Appl. 18, 034035 (2022))。为了进一步提高kHz频段的超声波灵敏度，该研究小组进一步系统研究了热噪声主导的灵敏度随微腔半径与厚度的关系，并利用微盘腔演示了微帕量级的高灵敏度超声波探测。

在这项工作中，他们使用悬浮的回音壁模式微盘腔对热噪声限制的超声灵敏度进行了系统的研究。研究表明，微盘腔周围的沟槽结构可以增加压差，从而增强其对超声波的响应。他们考虑了压差和空间重叠的影响，并研究了灵敏度随微盘半径和厚度的变化趋势。在实验中，他们制备了不同半径和厚度的具有沟槽结构的微盘腔，并在空气中测量了从几十kHz到超过1 MHz的频率范围内的灵敏度。他们利用半径为300 μm、厚度为2 μm的微盘，在82.6 kHz盘腔二阶拍动模式处实现了1.18 μPa/Hz^1∕2的超声波探测灵敏度，该灵敏度是目前微腔超声波探测器中的最高记录。相关研究成果以“Micropascal-sensitivity ultrasound sensors based on optical microcavities”为题于2023年6月12日在Photonics Research上发表。博士生杨昊和博士生曹雪凝为共同第一作者，通讯作者为李贝贝特聘研究员。上述研究工作得到了国家重点研发计划（2021YFA1400700）、国家自然科学基金委项目（11934019，12174438，62222515，91950118）和中国科学院基础前沿科学研究计划从0到1项目（ZDBS-LY-JSC003）的大力支持。

图1 ：(a) 微盘腔的光学显微镜图像。(b) 模拟的微盘腔的回音壁模式的基模光场分布。(c) 超声波探测实验装置示意图。(d) 1550nm附近微腔的透过率谱。

图2：(a) 微腔超声波探测器的噪声功率谱（黑色实线）与在83 kHz频率处施加了超声波信号的响应谱（绿色实线）。(b) 微腔超声波探测器的系统响应，即微腔对不同频率的超声波的响应，插图展示了高阶拍动模式的位移分布。(c) 微腔超声波探测器的灵敏度谱。