超聲波廣泛應用于生物醫學成像、工業無損檢測、交通系統等領域。在生物醫學成像方面，超聲波技術具有無電離輻射、實時成像、成本低廉等優勢，成為常用的早期疾病診斷工具。醫生借助超聲波成像可以實時監測胎兒發育情況、檢查心臟功能、診斷腫瘤等。同樣地，工業界也大量依賴超聲波技術進行流量測量、過程控制和材料無損檢測等。此外，超聲波系統在交通領域也扮演著關鍵角色，應用于倒車雷達、物體識別和自動避障等功能，為智能駕駛提供可靠支撐。這些廣泛的應用需求都離不開高性能的超聲波傳感器。

在過去幾十年里，壓電換能器占領著超聲傳感市場的主要地位，但它們在靈敏度、帶寬和微型化等方面存在局限性。壓電換能器的靈敏度隨著傳感面積的減小迅速下降，這將傳感器的尺寸限制在毫米到厘米的范圍內。為了克服這些局限，研究者基于微加工技術發展了微機電系統（MEMS）超聲波傳感器，如電容式微機械超聲換能器（CMUTs）和壓電式微機械超聲換能器（PMUTs）。這些MEMS超聲波傳感器可實現更高的響應帶寬和靈敏度，同時具有集成和微型化的潛力。然而，它們同樣容易受到電磁干擾，并且由于其傳感器結構不透明，在多模態成像方面存在挑戰。

圖1 超聲波傳感器應用實例

近年來，光學超聲傳感器已經成為超聲波傳感領域中一個重要研究方向。其中具有高品質因子的光學微腔利用其光學共振可顯著提高探測精度，近年來已被廣泛應用于超聲波傳感。此外，硅芯片上集成的光學微腔可批量制備，尺寸較小，因此可降低成本和功耗，有望在光聲斷層掃描等應用中實現較高的空間分辨率。目前，光學微腔已在各種超聲傳感應用中都展示出了優勢和潛力。

圖2 不同類型的光學微腔超聲傳感器和傳感機制。a-c 三種用于超聲波傳感的微腔示意圖：F-P 腔 (a)、π相移布拉格光柵（π－BG） (b) 和 WGM 微腔 (c)，以及它們各自的共振條件。d-i 色散（d-f）和耗散（g-i）傳感機制。e、h 腔體在色散耦合和耗散耦合情況下的透射譜變化。f、i 色散和耗散傳感機制的響應分別隨輸入激光與腔體共振頻率失諧的變化。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心的李貝貝特聘研究員團隊近年來致力于設計并制備基于回音壁模式光學微腔的超高靈敏度超聲波傳感器，并取得了一系列進展（Phys. Rev. Applied 2022, 18, 034035; Photon. Res. 2023, 11, 1139）。基于過往的研究和對大量資料文獻的總結，該課題組對基于光學微腔的超聲波傳感器原理及發展進行了梳理，撰寫了綜述文章“Ultrasound sensing with optical microcavities”（ Light Sci. Appl. 2024, 13, 159）。文中歸納了超聲波傳感器的應用場景（見圖1）。還總結了幾類常用的微腔超聲波傳感器包括：法布里-珀羅（F-P）腔（圖2a），π相移布拉格光柵（圖2b）與回音壁模式（WGM）微腔（圖2c）。F-P腔結構較為簡單，如果在F-P腔的一側使用薄膜結構，則可以實現極高的靈敏度。位于光纖末端的F-P腔可以作為探針式超聲波接收器，還可通過集成多個光纖實現陣列傳感。然而，與其他光學微腔相比，F-P腔通常具有較大的體積，這限制了它的應用場景。π相移布拉格光柵是另一類重要的光學微腔結構。π相移布拉格光柵具有較小的傳感區域，且可以集成在芯片上或光纖上。然而，值得注意的是，π相移布拉格光柵目前所實現的超聲波傳感靈敏度仍相對較低。WGM微腔通常是閉合的圓形介質結構，光子在其內表面發生連續全反射而被局域其中。在過去幾十年中，微納加工技術的進步極大促進了高品質因子WGM微腔的發展。除了具有極高的光學品質因子之外，WGM微腔還具有小模式體積、適應各種材料體系和形狀的優勢。

表1? 基于不同光學微腔超聲波傳感器性能匯總

這篇綜述概述了基于三種類型的光學微腔的超聲波傳感機制（見圖2d-i），并討論了如何優化超聲波傳感器的關鍵參數，關注了光學微腔實現超聲波傳感應用的最新進展并對其性能進行了總結（見表1）。此外，本文還介紹了光學微腔超聲波傳感器在不同探測場景中的應用，例如光聲成像、測距和粒子檢測等方面，為未來高性能超聲波成像和傳感技術的發展提供了重要參考。相比于傳統壓電超聲波傳感器，先進的光學微腔超聲波傳感器不僅能提高檢測靈敏度和空間分辨率，還具有體積小、集成度高等優勢，有望在生物醫學成像、工業無損檢測等領域帶來革命性變革。這種基于光學微腔的新型超聲波傳感技術，必將為超聲波在各領域的應用帶來新的機遇和發展空間。

審核編輯 黃宇