上海大學(xué)研發(fā)耐1000°C全光纖麥克風(fēng)，實(shí)現(xiàn)40 kHz–1.6 MHz超寬頻聲學(xué)傳感

  ICC訊   上海大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)近日開發(fā)了一款基于微梁-膜片結(jié)構(gòu)的全光纖麥克風(fēng)。該設(shè)備直徑125微米，約相當(dāng)于一根人類頭發(fā)的粗細(xì)，頻率響應(yīng)范圍為40 kHz至1.6 MHz，可在1000°C環(huán)境下穩(wěn)定工作。研究成果發(fā)表于《Optics Express》。

  “傳統(tǒng)電子傳感器在高溫環(huán)境下容易失效，且易受電磁干擾影響，”上海大學(xué)的張小貝教授表示，“我們的全光纖麥克風(fēng)可在惡劣環(huán)境中工作，對(duì)電磁干擾免疫，同時(shí)保持對(duì)微弱信號(hào)的響應(yīng)能力。”

  圖1 這款細(xì)如發(fā)絲的麥克風(fēng)能夠檢測(cè)大范圍的超聲波，并可耐受高達(dá)1000°C的高溫。其核心結(jié)構(gòu)包含一個(gè)振動(dòng)敏感薄膜和一根懸浮于單模光纖內(nèi)部的玻璃微梁。

  光彈耦合的聲學(xué)檢測(cè)機(jī)制

  該研究主要針對(duì)高壓變壓器內(nèi)部的局部放電檢測(cè)——這是一種可能預(yù)示設(shè)備故障的小型電氣異常現(xiàn)象。由于變壓器內(nèi)部存在極端高溫和強(qiáng)電磁場(chǎng)，現(xiàn)有傳感器難以實(shí)現(xiàn)直接、可靠的監(jiān)測(cè)。

  為解決這一問題，研究團(tuán)隊(duì)基于光彈效應(yīng)（photoelastic effect）開發(fā)了這款光纖麥克風(fēng)。該效應(yīng)指材料在機(jī)械應(yīng)力作用下折射率發(fā)生變化的物理現(xiàn)象。

  具體而言，器件采用了一種復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：在單模光纖與振動(dòng)敏感薄膜之間設(shè)置一個(gè)懸浮微梁，作為光傳輸波導(dǎo)。聲波壓力作用下，薄膜振動(dòng)帶動(dòng)微梁產(chǎn)生周期性拉伸與壓縮，通過光彈效應(yīng)引起微梁折射率的周期性變化。微梁長(zhǎng)度與折射率的共同變化調(diào)制光程差，通過法布里-珀羅干涉儀進(jìn)行檢測(cè)。這三個(gè)組件——單模光纖、微梁和薄膜——構(gòu)成了一個(gè)本征法布里-珀羅干涉儀。

  圖2 （a）傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；（b）微梁工作原理圖；（c）模擬聲壓下微梁的位移

  圖3 微梁長(zhǎng)度與半徑對(duì)傳感器性能的影響 (a) 傳感器位移，(b) 傳感器諧振頻率

  制備工藝與性能表征

  器件制備采用皮秒激光輻照結(jié)合化學(xué)腐蝕工藝。首先將葡萄柚型光子晶體光纖與單模光纖熔接，通過精密拋光形成厚度約4.3 μm的圓形薄膜；隨后利用皮秒激光在光纖側(cè)面加工三個(gè)對(duì)稱通孔，形成開放腔體；最后經(jīng)氫氟酸超聲腐蝕使光纖纖芯懸浮，形成直徑約5.1 μm、腔長(zhǎng)約352 μm的微梁結(jié)構(gòu)（設(shè)計(jì)長(zhǎng)度350 μm）。

  圖4 傳感器制備工藝示意圖。分步展示傳感器的制備流程，包括光纖熔接、切割、拋光、皮秒激光打孔和氫氟酸腐蝕等關(guān)鍵步驟。

  圖5 展示用于測(cè)試麥克風(fēng)聲學(xué)響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置，包括信號(hào)發(fā)生器、放大器、參考傳感器、可調(diào)激光器、光電探測(cè)器和示波器等。

  圖6 連續(xù)聲學(xué)信號(hào)檢測(cè)結(jié)果。(a) 時(shí)域信號(hào)譜，(b) 對(duì)應(yīng)的傅里葉變換譜

  實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該麥克風(fēng)在80 kHz脈沖信號(hào)處的聲壓靈敏度達(dá)139.89 mV/kPa，最小可探測(cè)聲壓為3.79 mPa/Hz1/2。頻率響應(yīng)測(cè)試表明，器件在40 kHz至1.6 MHz范圍內(nèi)均保持良好的聲學(xué)響應(yīng)，共振頻率位于220 kHz附近，與仿真結(jié)果（216 kHz）基本吻合。

  圖7 (a) 腔長(zhǎng)隨溫度變化的關(guān)系，(b) 100分鐘內(nèi)測(cè)得的腔長(zhǎng)偏差

  高溫性能測(cè)試方面，研究人員將器件置于馬弗爐中，從室溫逐步升溫至1000°C。結(jié)果顯示，在1000°C下連續(xù)工作100分鐘期間，法布里-珀羅腔長(zhǎng)的最大波動(dòng)小于±25 nm，溫度靈敏度為3.28 nm/°C，基于2σ統(tǒng)計(jì)對(duì)應(yīng)的溫度檢測(cè)精度約為5.66°C。腔長(zhǎng)變化主要源于微梁的熱膨脹效應(yīng)與熱光效應(yīng)。

  “整個(gè)干涉結(jié)構(gòu)集成在細(xì)如發(fā)絲的光纖內(nèi)部，”張小貝說，“這種自封裝的一體化設(shè)計(jì)使其可在高溫、空間受限環(huán)境中直接部署，無(wú)需額外保護(hù)結(jié)構(gòu)?！?

  研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，該器件在電網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、工業(yè)無(wú)損檢測(cè)、超聲成像等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。后續(xù)研究計(jì)劃包括優(yōu)化微梁形態(tài)以提升條紋對(duì)比度、減薄膜片厚度以增強(qiáng)靈敏度，以及開發(fā)陣列化結(jié)構(gòu)以改善指向性與多功能聲學(xué)感知能力等等。

  更多信息：Dechun Dan et al, Ultra-wideband all-fiber microphone enabled by micro-beam and diaphragm structure, Optics Express (2026). DOI: 10.1364/oe.582945