上海大學研發(fā)耐1000°C全光纖麥克風，實現(xiàn)40 kHz–1.6 MHz超寬頻聲學傳感

  ICC訊   上海大學的研究團隊近日開發(fā)了一款基于微梁-膜片結構的全光纖麥克風。該設備直徑125微米，約相當于一根人類頭發(fā)的粗細，頻率響應范圍為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，”上海大學的張小貝教授表示，“我們的全光纖麥克風可在惡劣環(huán)境中工作，對電磁干擾免疫，同時保持對微弱信號的響應能力?！?

  圖1 這款細如發(fā)絲的麥克風能夠檢測大范圍的超聲波，并可耐受高達1000°C的高溫。其核心結構包含一個振動敏感薄膜和一根懸浮于單模光纖內部的玻璃微梁。

  光彈耦合的聲學檢測機制

  該研究主要針對高壓變壓器內部的局部放電檢測——這是一種可能預示設備故障的小型電氣異?，F(xiàn)象。由于變壓器內部存在極端高溫和強電磁場，現(xiàn)有傳感器難以實現(xiàn)直接、可靠的監(jiān)測。

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

  具體而言，器件采用了一種復合結構設計：在單模光纖與振動敏感薄膜之間設置一個懸浮微梁，作為光傳輸波導。聲波壓力作用下，薄膜振動帶動微梁產生周期性拉伸與壓縮，通過光彈效應引起微梁折射率的周期性變化。微梁長度與折射率的共同變化調制光程差，通過法布里-珀羅干涉儀進行檢測。這三個組件——單模光纖、微梁和薄膜——構成了一個本征法布里-珀羅干涉儀。

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

  圖3 微梁長度與半徑對傳感器性能的影響 (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合化學腐蝕工藝。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面加工三個對稱通孔，形成開放腔體；最后經氫氟酸超聲腐蝕使光纖纖芯懸浮，形成直徑約5.1 μm、腔長約352 μm的微梁結構（設計長度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鍵步驟。

  圖5 展示用于測試麥克風聲學響應的實驗裝置，包括信號發(fā)生器、放大器、參考傳感器、可調激光器、光電探測器和示波器等。

  圖6 連續(xù)聲學信號檢測結果。(a) 時域信號譜，(b) 對應的傅里葉變換譜

  實驗結果顯示，該麥克風在80 kHz脈沖信號處的聲壓靈敏度達139.89 mV/kPa，最小可探測聲壓為3.79 mPa/Hz1/2。頻率響應測試表明，器件在40 kHz至1.6 MHz范圍內均保持良好的聲學響應，共振頻率位于220 kHz附近，與仿真結果（216 kHz）基本吻合。

  圖7 (a) 腔長隨溫度變化的關系，(b) 100分鐘內測得的腔長偏差

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

  “整個干涉結構集成在細如發(fā)絲的光纖內部，”張小貝說，“這種自封裝的一體化設計使其可在高溫、空間受限環(huán)境中直接部署，無需額外保護結構。”

  研究團隊認為，該器件在電網(wǎng)設備狀態(tài)監(jiān)測、工業(yè)無損檢測、超聲成像等領域具有應用潛力。后續(xù)研究計劃包括優(yōu)化微梁形態(tài)以提升條紋對比度、減薄膜片厚度以增強靈敏度，以及開發(fā)陣列化結構以改善指向性與多功能聲學感知能力等等。

  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