近日，上海大学特种光纤与光接入网重点实验室、上海先进通信与数据科学研究院的Dechun Dan, Xiaobei Zhang, Qi Zhang, Ning Chen, Yaowen Yao, Yi Huang, Jian Shao, Qun Li, Tingyun Wang 团队，联合国网江苏电力科学研究院的研究人员，在Optics Express期刊的2026年2月9日出版的第34卷第3期上发表了一项关于新型全光纤麦克风的研究。该研究题为“Ultra-wideband All-fiber Microphone Enabled by Micro-beam and Diaphragm Structure”，提出并实现了一种基于微梁与振膜结构的全光纤麦克风，该传感器具备超宽带频率响应和卓越的高温工作能力，为恶劣环境下的声学检测提供了新的解决方案。

一、 学术背景

本研究属于光纤传感与声学检测的交叉领域。声学检测在生物医学成像、自然灾害预警、局部放电检测和结构健康监测等领域应用广泛。然而，在强电磁干扰、高温等恶劣条件下，传统的电学声学传感器往往面临环境适应性差、生存能力弱的挑战。相比之下，光纤传感器以其尺寸紧凑、灵敏度高、电磁兼容性强等优势，成为恶劣环境应用的理想选择。其中，光纤干涉型声学传感器，特别是法布里-珀罗干涉仪（Fabry-Perot Interferometer, FPI），因其结构设计灵活（如悬臂梁、振膜、超表面等）和材料选择多样（如二氧化硅、石墨烯、金属等），已成为研究热点。

在众多FPI结构中，振膜型FPI声学传感器因其结构紧凑和高灵敏度而备受关注。其性能很大程度上取决于传感振膜的机械和材料特性。目前，常用的振膜材料包括聚合物（如紫外线固化胶、PET、PPS等）和二维材料（如石墨烯、二硫化钼等）。然而，聚合物振膜难以适应恶劣环境，且由于其厚度相对较大、灵敏度较低，实现超宽带测量具有挑战性。虽然纳米级石墨烯振膜表现出优异的声学性能，但其制备工艺复杂，且制备过程中的缺陷可能影响传感器的宽带响应。此外，已报道的大多数FP腔在密封时内部残留空气，这会产生不期望的温度-声压交叉敏感性。因此，迫切需要设计新型传感结构，以实现宽带声学频率响应和高灵敏度，同时保持对恶劣环境的耐受性。

本研究旨在解决上述挑战，通过创新性地引入“微梁”作为核心传感元件，结合振膜结构，设计并制造出一种全光纤麦克风。该设计的核心目标是利用微梁在声压作用下的形变及其伴随的光弹效应（photo-elastic effect）引起的折射率周期性变化，来显著拓宽传感器的频率响应范围，并利用全光纤结构实现高温环境下的稳定工作。

二、 详细工作流程

本研究的工作流程系统而完整，主要包括原理设计、仿真优化、器件制备、性能测试与评估四个主要环节。

1. 传感器工作原理与结构设计： 研究团队提出了一种基于微梁和振膜结构的全光纤法布里-珀罗干涉仪传感器。其核心结构如图1(a)所示：一段悬浮的微梁（micro-beam）连接在薄振膜（diaphragm）和单模光纤（SMF）之间，充当光传输波导。单模光纤、微梁和振膜共同构成了一个本征法布里-珀罗干涉腔。通过在光纤包层上加工大孔，实现了开放式腔体。在外部声学激励下，振膜发生振动，进而带动与之连接的微梁发生周期性的拉伸和压缩。同时，由于光弹效应，微梁的折射率也随之发生周期性变化。微梁长度和折射率的变化共同引起了光程的变化，该变化通过从微梁-振膜和微梁-单模光纤两个界面反射回来的光进行干涉测量，从而将外部声信号与FPI光谱关联起来。

理论分析表明，微梁的弯曲位移（ω）与施加的声压（q）之间的关系可推导为 ω = 5qL^4 / (6πEd^4)，其中L为微梁长度，d为直径，E为杨氏模量。进而，微梁有效折射率的变化（Δn_eff）与声压的关系可表达为 Δn_eff = 20qL^2 / (6πEd^4)。这表明传感器的灵敏度高度依赖于微梁的直径和长度。

2. 基于COMSOL仿真的结构参数优化： 为了优化传感器性能并指导制备，研究团队使用COMSOL Multiphysics软件进行了详细的仿真分析。仿真主要研究了微梁和振膜的几何参数对传感器位移和谐振频率的影响。 * 微梁参数影响：仿真设置了振膜厚度为4 µm，有效半径为55 µm。微梁长度分别取200, 250, 300, 350 µm，半径在1-6 µm范围内变化。结果显示（图2）：随着微梁半径增大，其位移减小；较短的微梁导致较小的位移。同时，增大微梁半径会提高传感器的谐振频率，而加长微梁则会降低谐振频率。 * 振膜参数影响：仿真分析了振膜有效半径和厚度的影响（图3）。结果表明，较大的有效半径和较小的厚度会导致更大的位移。振膜的有效半径对谐振频率影响较小，而厚度对频率有影响。 综合仿真结果，研究团队确定了优先优化微梁半径的策略。虽然更长、半径更小的微梁能提高灵敏度，但过度的弯曲和过小的半径会引入光学损耗并增加微梁损坏的风险。因此，最终选择了直径为5 µm、长度为350 µm的微梁。此时，圆形振膜的有效半径约为50 µm，厚度选定为4 µm。仿真预测的谐振频率约为216 kHz。

3. 基于飞秒激光与化学蚀刻的传感器制备： 本研究提出并应用了一种结合飞秒激光辐照和化学蚀刻的微加工方法来制备全光纤麦克风，具体流程如图4所示，包含六个主要步骤： * 步骤1：熔接：将一段柚子型光纤（grapefruit fiber）与一根单模光纤熔接，以确保良好的光学耦合和后续结构的机械稳定性。此过程需精确控制放电时间和能量，防止柚子光纤端面损坏或熔接点塌陷。 * 步骤2：切割：将柚子光纤切割至355 µm长度（比设计微梁长度略长，以补偿后续熔接过程中的长度减少）。 * 步骤3：制备振膜：将柚子光纤另一端与另一段单模光纤熔接，并将该单模光纤切割至约100 µm长度。随后使用光纤抛光机将这100 µm长的单模光纤抛光成厚度约为6 µm的振膜。 * 步骤4：飞秒激光打孔：使用飞秒激光在柚子光纤侧壁钻孔以形成开放腔体。将结构横向固定在旋转夹具上，均匀旋转120°，加工出三个对称的孔。 * 步骤5：氢氟酸（HF）蚀刻：将麦克风头部浸入氢氟酸溶液中进行蚀刻，以实现悬浮微梁。为了确保HF更均匀地渗透到柚子光纤内部区域，将HF溶液和样品置于超声波清洗器中，优化超声处理周期为20-25秒，在保证高效蚀刻的同时维持麦克风的机械强度。随后将麦克风浸入HF中1分钟，确保柚子光纤纤芯被悬浮蚀刻且半径减小。 * 步骤6：表征：通过扫描电子显微镜（SEM）对制备的传感器进行形貌表征。图5(a)显示侧壁有飞秒激光加工的矩形孔，可见直径约为5.1 µm的微梁。图5(b)显示振膜厚度约为4.3 µm，表面完好无损。反射光谱（图5©）显示传感器具有高条纹对比度和高Q因子，最大可见度为14 dB。通过快速傅里叶变换分析，测得实际腔长为352.12 µm。

4. 声学与高温性能测试实验： 为评估制备麦克风的性能，研究团队搭建了相应的测试系统（图6）。 * 声学响应测试：使用函数发生器产生不同频率的声波，经放大器驱动PZT发射。使用参考传感器校准声压。光学解调采用可调谐激光器，将波长调至正交工作点（1561.2 nm），通过光学环形器将光传输至麦克风，反射的干涉信号由光电探测器接收，最后由示波器显示记录。 * 时频域响应：图7展示了传感器在80 kHz、100 kHz和220 kHz频率下的时域谱和经FFT变换后的频域谱。峰值频率与信号发生器设置一致，信噪比（SNR）分别为47.9 dB、40.9 dB和56.2 dB。 * 最小可检测压力：在80 kHz下计算得到MDP为3.79 mPa/Hz^{¹⁄₂}，在100 kHz下为7.58 mPa/Hz^{¹⁄₂}。 * 频率响应范围：图8记录了传感器在不同频段的检测结果。结果表明，传感器能响应的声信号最低频率为40 kHz，最高频率为1.6 MHz。谐振频率明显位于220 kHz，与仿真结果216 kHz高度吻合，验证了制备工艺的高精度。 * 指向性测试：在自由场环境中测试了传感器的声学指向性（图9）。结果显示，当声场直接作用于微梁时（角度为90°或270°），检测到的信号更强。指向性曲线整体对称，但由于激光打孔过程中孔尺寸的差异和侧孔的不完全对称性，存在轻微的不对称。 * 脉冲响应与灵敏度：进行了超声脉冲检测实验（图10）。在80 kHz脉冲信号下，当声压为43.75 Pa时，传感器输出信号幅度为6.12 mV，计算得到灵敏度为139.89 mV/kPa。检测80 kHz和127 kHz脉冲信号的信噪比分别为22 dB和27 dB。 * 高温性能测试：将传感器放入马弗炉中，温度从室温升至1000°C，步进100°C。记录反射光谱并解调FP腔长变化。 * 温度灵敏度：如图11(a)所示，腔长随温度变化呈线性关系，线性拟合得到的温度灵敏度为3.28 nm/°C。根据理论公式计算的理论值约为3.12 nm/°C，两者吻合良好，微小差异源于微梁掺杂导致的材料热光系数和热膨胀系数与纯二氧化硅的差异。 * 高温稳定性：在1000°C下连续记录100分钟传感器腔长变化（图11(b)）。腔长最大波动小于±25 nm，标准差σ约为9.28 nm（2σ范围18.56 nm，对应95%置信水平）。结合温度灵敏度，计算得到温度检测精度为5.66°C。

三、 主要结果

1. 成功设计并制备了新型全光纤麦克风：通过创新的微梁-振膜结构设计，结合飞秒激光微加工和化学蚀刻工艺，成功制备出了结构完整、形貌符合设计预期的传感器。SEM图像和反射光谱证实了器件的高质量。
2. 实现了超宽带频率响应：实验测得传感器的频率响应范围覆盖40 kHz至1.6 MHz，带宽显著优于文中对比的多数同类传感器（见表1）。谐振频率实测为220 kHz，与仿真预测的216 kHz高度一致，验证了设计模型和制备工艺的准确性。
3. 获得了高声学灵敏度与良好性能指标：在80 kHz连续波下，传感器信噪比达47.9 dB；在80 kHz脉冲信号下，声压灵敏度达到139.89 mV/kPa。同时，传感器具备良好的指向性。
4. 展现了卓越的高温工作能力：传感器在高达1000°C的温度下仍能稳定工作，温度灵敏度为3.28 nm/°C，在1000°C下长期工作的温度检测精度为5.66°C。这主要归功于全二氧化硅材料（柚子光纤与单模光纤）的热膨胀系数匹配，以及开放式FP腔设计避免了空气残留引起的交叉敏感。
5. 通过对比凸显性能优势：文章表1将本传感器与之前报道的空芯光纤、振膜、微气泡、光机械谐振器、悬臂梁等结构的声学传感器进行了全面对比。本传感器在频率带宽（高达1.6 MHz）和最高工作温度（1000°C）方面具有显著优势，同时在传感尺寸和灵敏度方面也具有竞争力。

四、 研究结论与价值

本研究成功设计并制造了一种基于微梁结构的全光纤法布里-珀罗声学传感器。利用飞秒激光辐照结合化学蚀刻工艺，制备出了微梁与振膜集成的结构，使传感器展现出宽带频率响应和对恶劣环境条件的强大适应能力。

科学价值与应用价值： * 结构创新：首次将“微梁”作为核心敏感元件引入全光纤FP声学传感器，利用其形变和光弹效应的协同作用，有效拓宽了频率响应，为高性能光纤声学传感提供了新思路。 * 工艺创新：发展的飞秒激光结合化学蚀刻的制备方法，能够实现高精度、一体化的全光纤微结构加工，为复杂三维光纤器件的制造提供了可行方案。 * 性能突破：实现了从40 kHz到1.6 MHz的超宽带高频响应，以及高达1000°C的工作温度，这两项指标的同时达成在以往研究中较为罕见。 * 应用潜力：该传感器紧凑的结构、超宽频带和高温耐受性，使其在电力系统局部放电检测、发电厂高温监测、工业过程超声检测、极端环境下的结构健康监测等恶劣环境应用场景中具有巨大的潜力。此外，其全光纤结构天然具备抗电磁干扰、易于组网的优势。

五、 研究亮点

1. 核心结构创新：提出的“微梁-振膜”耦合结构是本研究的最大亮点。微梁不仅作为机械传导元件，其自身形变导致的光程变化和光弹效应引起的折射率变化共同贡献于声光转换，这是实现超宽带响应的关键物理机制。
2. 超宽频带与高温耐受兼具：在单一传感器上同时实现了超过1.5 MHz的宽频带响应和1000°C的高温稳定工作，解决了传统聚合物或复杂材料传感器难以兼顾的难题。
3. 全光纤、全二氧化硅材料体系：传感器全部由二氧化硅光纤材料构成，避免了不同材料间热膨胀系数不匹配导致的稳定性问题，且开放式腔体设计消除了密封腔内空气带来的温度-声压串扰，这是实现高温高性能的根本保障。
4. 可重复的微加工工艺：提出的飞秒激光加工结合HF蚀刻的制备流程，步骤清晰，具有较好的可重复性和可控性，为器件的实际生产和应用奠定了基础。

六、 其他有价值内容

文章还探讨了未来的优化方向，例如通过激光加工优化微梁的波导形态以提高条纹对比度，通过蚀刻进一步减薄圆形振膜厚度以增强其偏转响应，从而进一步提高传感器灵敏度。此外，传感器紧凑的结构有利于发展阵列配置，这可以进一步改善其指向性、增强灵敏度，并实现更多功能的声学传感应用。

这项研究在光纤声学传感领域取得了重要进展，所提出的传感器在性能和适用环境方面均表现出显著优势，为面向极端环境的高性能声学检测提供了有力的工具。