作者：唐水晶1李貝貝2肖雲峯1

(1 北京大學物理學院)

(2 中國科學院物理研究所)

摘要回音壁模式光學微腔具有很高的品質因子和較小的模式體積，能極大地增強腔內光場與物質相互作用，已經成爲超高靈敏光學傳感的優異平臺，也是國際學術前沿之一。文章簡介了迴音壁微腔傳感研究現狀與熱點、微腔傳感平臺及傳感機制原理；着重列舉了微腔傳感的部分典型應用，例如納米尺度單個顆粒檢測、溫度傳感、磁場傳感、化學氣體傳感以及壓力/應力等物理量傳感等；最後對光學微腔傳感的研究進行了展望。

關鍵詞迴音壁模式光學微腔，微腔傳感，單納米顆粒檢測，生物傳感，磁場傳感

1 迴音壁模式光學微腔傳感簡介與研究歷史現狀

1.1 迴音壁模式微腔傳感簡介

“耳語迴廊”模式(whispering-gallery mode，WGM)最早發現於聲學體系中。在北京天壇和英國倫敦的聖保羅大教堂(圖1(a，b))都有一個結構類似的環形“耳語迴廊”。它們有一個共同特徵：當兩個人貼近牆內壁站立，若一個人在一端對着迴廊竊竊私語，即便他們相隔很遠，走廊另一端的人也可以清楚地聽到，猶如耳邊低語，“耳語迴廊”以此得名。早在19 世紀，著名科學家Rayleigh 爵士就首次分析了其中的聲學原理給出了物理解釋。他認爲：這是由於聲波沿着迴廊光滑的牆內壁連續反射來進行傳播，傳播損耗很小。這種聲波模式也因此被命名爲“耳語迴廊模式”，而在中國我們習慣性叫作“迴音壁模式”。由於電磁波在從光密介質向光疏介質傳播時會發生全反射現象，因此在如圖1(c，d)具有旋轉對稱的幾何結構中，當光線沿着幾何結構邊界內壁傳播時會發生連續的全反射，光束被約束在環形邊界上，從而產生類似的迴音壁現象。若光束繞幾何結構邊界行走一圈的光程滿足波長的整數倍時，會產生干涉加強現象即共振現象，其中用來約束光場的環形結構即被稱爲迴音壁模式光學微腔。

圖1 (a)北京天壇；(b)英國倫敦聖保羅大教堂；(c)微腔內光線全反射示意圖；(d)迴音壁模式電場強分佈

由於迴音壁模式光學微腔可以將諧振光子長時間限制在微米尺度，光子可以與諧振模式範圍內的物質多次相互作用，因此迴音壁模式微腔具有極高的傳感靈敏度，這使之成爲國內外傳感領域的前沿研究熱點。在2002 年，英國的Frank Vollmer 和美國的Stephen Arnold 研究組第一次發展了迴音壁模式微腔傳感器，他們通過監測迴音壁模式微球腔的諧振波長移動成功探測到水溶液中的蛋白質[1]。然後這個領域迅速發展，迴音壁模式光學微腔現在已經廣泛用於高靈敏度傳感和檢測單生物分子、磁場、溫度以及應力壓強等，目前有幾篇迴音壁微腔傳感的英文綜述對這個領域進行了總結[2—5]。在2016 年，Frank Vollmer研究小組利用迴音壁模式微球腔與金納米棒的等離激元諧振耦合，通過監測迴音壁模式諧振頻率移動在水溶液中成功檢測到單個原子離子[6]。目前傳感器也逐漸由實驗研究走向實際應用，2018 年美國聖路易斯華盛頓大學的楊蘭教授研究組將迴音壁微芯圓環腔及其耦合裝置、可調諧單模激光器、光電探測器、光電處理單元和Wi-Fi 單元封裝芯片集成，做成了具有物聯網控制功能的高靈敏度溫度傳感器並將之成功用於航空測繪領域[7]。

1.2 光學微腔的主要參數

描述光學微腔的迴音壁模式通常有幾個特徵參數，其中最重要的兩個參數分別爲品質因子(Quality factor， Q) 和模式體積(Mode volume，Vm)，另外還有自由光譜範圍(Free spectral range，FSR)、線寬(Linewidth)、功率堆積因子(Build-up factor)和精細度(Finesse)等。在傳感領域通常要求微腔具有高品質因子和小模式體積來增加傳感器的靈敏度，如果要測量模式光譜的移動和展寬等會比較關注自由光譜範圍和精細度。

品質因子可以用來描述微腔中光子被約束的時間，定義爲Q= ω W/(-dW /dt)= ωτ = λ/Δλ ，其中，W是腔內儲存的能量，－dW/dt 是單位時間內耗散的能量，ω和λ 分別是模式的共振角頻率和共振波長，τ是腔內光場的光子壽命， Δλ 爲模式線寬。因此若微腔損耗越小，光子壽命越長，則微腔的品質因子越高，迴音壁模式的線寬就越窄。微腔的品質因子主要取決於微腔的本徵損耗(輻射損耗Qrad、材料吸收損耗Qmat、散射損耗Qsca)和耦合引入的外部損耗Qcoup，微腔的品質因子則爲Q-1=Qrad-1+Qmat-1+Qsca-1+Qcoup-1。

模式體積描述微腔對光子在空間上的約束程度，其定義爲Vm = ∫Vε(r)|E(r)|2d3r/max[ε(r)|E(r)|2] 。模式體積強烈依賴於微腔大小。對於Fabry—Pérot光學微腔，模式體積約等於腔的體積；對於迴音壁模式光學微腔，模式的截面積可以到波長的平方量級，模式體積則約爲微腔周長乘以截面積。

穩定的迴音壁模式要求： 2πneffR =mλm，其中neff是模式的有效折射率，R 是微腔半徑，m是角量子數，λm是共振波長。自由光譜範圍指其他量子數完全相同，只有角量子數相差1 的兩個迴音壁模式之間的頻率或者波長間隔。精細度來源於Fabry-Pérot 標準具，用來衡量標準具的光譜分辨能力，定義爲自由光譜範圍與模式線寬之比。功率堆積因子用來描述腔內功率與輸入功率之比，即對應着光子在腔內循環的圈數， 表達式爲B = λQ/2π2nD ，其中n 爲折射率，D 爲微腔的直徑。對於直徑爲50 μm、品質因子爲108的二氧化硅微腔，在1550 nm 波段微腔的功率堆積因子約爲105。也就是光子在微腔內循環十萬圈才耗散，因此在微腔內極大地增強了光與物質相互作用。

1.3 光學微腔平臺與耦合方法

常見的迴音壁模式光學微腔如圖2 所示，包含微球腔(a)、微泡腔(b)、微盤腔(c)和微芯圓環腔(d)等。下面簡單介紹這4 種微腔的製備工藝。微球腔主要通過熔融拉制光纖製備而成，藉助於二氧化硅的表面張力可以形成品質因子爲108的微球腔，製備方法簡單。微泡腔也利用相類似的原理，通過熔融毛細管壁同時加大毛細管內部壓強，加熱區域逐漸膨脹形成微泡腔[8，9]。微盤腔則可以通過成熟的半導體光刻與刻蝕工藝進行製備。微芯圓環微腔在微盤腔的基礎上，利用二氧化碳激光器照射微盤腔進行迴流處理形成微芯圓環腔[10]。

圖2 幾種常見的迴音壁模式光學微腔(a)微球腔；(b)微泡腔；(c)微盤腔；(d)微芯圓環腔

由於迴音壁模式是基於全內反射形成，微腔內行波波矢大於自由空間波矢，由於動量失配，自由空間的光很難耦合到迴音壁模式微腔內，因此通常採用近場耦合方式。常用的近場耦合方式是利用動量匹配的倏逝場進行耦合，可以達到極高的耦合效率，主要的耦合器件如圖3 所示，有光纖錐(a)[11，12]、棱鏡(b)[13，14]以及側邊拋磨光纖(c)[14—17]等。另外還有研究人員通過微腔散射缺陷或者在微腔表面刻蝕光柵進行耦合，耦合效率不可調，另外微腔表面的缺陷會降低迴音壁微腔的品質因子[18—21]。

圖3 迴音壁模式的耦合(a)波導耦合；(b)棱鏡耦合；(c)側邊拋磨光纖耦合

2 微腔傳感機制

2.1 基本傳感機制

2.1.1 模式移動

模式移動傳感機制的基本原理是迴音壁模式的諧振波長會隨着環境變化而改變。一般通過監測微腔的傳輸譜、反射譜或者輻射譜得到迴音壁模式諧振頻率，微腔傳感測試平臺一般如圖4(a)所示。模式移動是最常用的迴音壁模式微腔傳感機制。模式移動機制既可以用來檢測單分子顆粒大小或者物質的濃度信息，又可以得到微腔環境物理參數的變化，比如溫度、溼度、壓強或者磁場等信息。

圖4 迴音壁微腔基本傳感機制

[3](a)單納米顆粒—微腔—光纖錐耦合系統。探測光經過光纖錐耦合到腔模中，腔模在傳輸譜上呈現洛倫茲線型。當納米顆粒粘附到微腔上會引起：(b)模式移動；(c)模式分裂；(d)模式展寬

下面以迴音壁模式微腔檢測單納米顆粒爲例對傳感機制進行解釋說明。若單個納米顆粒(或者生物分子)進入微腔倏勢場區域時(爲了簡化，這裏考慮微球腔)，當納米顆粒的折射率高於微腔周圍環境折射率時，迴音壁模式有效折射率增加，造成迴音壁模式諧振頻率發生紅移(圖4(b))。根據一階微擾理論，單納米顆粒導致的模式移動大小δω表示爲[22，23]

其中， εr是介質的介電常數， ω代表模式諧振角頻率， αex爲顆粒的極化強度。從公式中可以看出模式移動大小不僅與顆粒的極化強度(取決於粒子的尺寸與折射率)有關，而且跟顆粒所在位置電場強度有關，即與顆粒粘附位置有關。

2.1.2 模式分裂

迴音壁模式一般爲行波模式，由於迴音壁微腔具有旋轉對稱性，可以天然支持一對正反傳播的迴音壁模式，分別爲順時針(clockwise，CW)和逆時針(counterclockwise，CCW)模式。通常兩者之間無耦合，這兩種模式具有相同的諧振頻率和場分佈。當納米顆粒或者生物分子進入迴音壁模式倏勢場區域時，不僅會通過側向散射將部分光場能量耗散到自由空間中，也會通過背向散射引起CW模式和CCW模式之間的耦合。此時CW模式和CCW模式簡併解除，並且同時會形成兩個新的本徵模式。這兩個新的本徵模式是由CW模式與CCW模式疊加而形成的駐波模式，即對稱模式(散射體處於駐波波腹處)與反對稱模式(散射體處於駐波波節處)。對於反對稱模式，由於顆粒處於波節處，此處電場強度幾乎爲0，模式場強幾乎不受散射體影響，因此反對稱模式相比引入散射體之前的行波模式，諧振頻率與線寬均不變。而對於對稱模式，由於散射體的存在增大了模式的有效折射率並且引入了額外耗散，因此共振波長紅移同時模式線寬被展寬。由原來一個模式分裂成對稱模式與反對稱模式的現象叫做模式分裂(圖4(c))，兩者之間的頻率差[2， 3，25]爲

另外對稱模式與反對稱模式線寬之差爲

其中εm、εp和εc分別代表微腔周圍環境、散射體和微腔的介電常數。α 爲散射體的極化率， 對納米尺度球形顆粒α =4πR3(εp- εm)/(εp+ 2εm) ，R 爲顆粒半徑， Vc和ωc分別爲迴音壁模式體積和諧振頻率， g 爲正反行波模式之間的耦合強度。

因此模式分裂的基本傳感原理爲：待測顆粒會引起微腔的迴音壁模式分裂，以模式頻率分裂大小和線寬變化大小爲傳感信號表徵待測物的大小等信息。模式頻率分裂和線寬改變均可以通過測量傳輸譜直接獲得。由於對稱模式和反對稱模式處於同一個微腔中，且場分佈相同，因此受完全相同的噪聲所影響，如激光頻率噪聲和熱噪聲等。因此通過監測兩者諧振頻率或者線寬之差即可消除以上噪聲。另外以上兩個公式中可以得出，頻率差與線寬差之比δ/γ 可以抵消場分佈f (r) 的依賴。因此傳感信號與散射體在微腔上的粘附位置無關，這是模式分裂相比模式移動另一個優勢[26，27]。

2.1.3 模式展寬

在模式分裂傳感機制中要求模式分裂大於模式線寬。但其實即使顆粒散射引起的模式分裂小於線寬，傳輸譜上也可以觀察到模式線寬增加(圖4(d))。模式展寬機制可以適用於模式分裂不可分辨的情況，主要以顆粒散射導致的模式線寬變化作爲檢測信號，這個線寬變化程度取決於正反行波模式之間的耦合強度和納米顆粒側向散射導致的腔模損耗。由於環境熱噪聲或者激光頻率噪聲等只會影響迴音壁模式諧振頻率，而不會影響模式線寬，因此模式展寬機制對這些噪聲具有天然的免疫能力。同時，其不要求模式分裂大於線寬，因此模式展寬機制比無源模式分裂機制一般具有更低的檢測極限[28]。

2.1.4 耗散型傳感機制

以上3 種機制主要是基於顆粒導致的散射。模式移動和模式分裂分別取決於散射體在微腔上導致的前向散射、背向散射，模式展寬則取決於散射體在微腔上導致的側向散射和背向散射，因此這些傳感機制是基於待測物極化率的實部。耗散型傳感機制則主要基於待測物極化率虛部，也就是通過利用待測物的吸收損耗導致的模式線寬變化進行檢測[29]。耗散型傳感機制適用於檢測吸收係數較大的待測物，比如金屬納米顆粒、碳納米管等。

2.2 靈敏度提高機制與新方法

目前人們已經提出很多回音壁模式微腔傳感靈敏度提高方法，主要包括幾個方面：(1)局域表面等離激元增強：將局域表面等離激元場增強效應與微腔的超低損耗模式結合爲雜化微腔[30，31]。這種方法的傳感靈敏度極高，例如Frank Vollmer 研究組已基於這種機製成功檢測到單個原子離子[6]。(2)自外差激射拍頻測量：利用有源腔兩個分裂的激射模式產生的拍頻爲信號進行檢測[32，33]。由於有源腔存在激光增益，因此其模式線寬遠遠低於無源腔的模式線寬，這樣就可以極大地降低模式分裂的檢測極限。(3)鎖模：傳統的傳感機制需要一個可調諧激光器對波長進行掃描得到模式傳輸譜，從而得到模式的諧振頻率以及線寬等信息[34，35]。通過Pound—Drever—Hall 鎖模技術可以將激光頻率實時調節到迴音壁模式諧振頻率處，通過實時追蹤諧振頻率的變化作爲信號進行傳感，這種方法時間分辨率很高。另外，通過微腔振鈴效應[36—38]、背散射[39，40]和奇異點[41，42]等手段可以提高時間分辨率或者降低檢測極限。

3 微腔傳感應用

目前，迴音壁模式光學微腔廣泛用於單納米尺度顆粒物檢測以及各種微腔環境物理參數傳感，如溫度、磁場、應力以及陀螺儀[43—45]等。接下來簡單介紹迴音壁模式微腔在以下幾個應用方面的基本原理和發展情況。

3.1 單納米顆粒檢測及生物傳感

單納米尺度顆粒探測對疾病的早期診斷、環境監測、易爆物品探測以及半導體製造工藝流程控制等應用方面具有重大意義。光學傳感由於具有靈敏度高、成本低廉以及器件小等特點近年來受到廣泛關注，目前光學傳感方式如納米波導傳感器[46—49]、迴音壁微腔傳感器、光子晶體傳感器[50，51]等已經成功用於單納米顆粒檢測。其中，迴音壁微腔傳感器由於其超高品質因子和小模式體積，可以極大地提高光與物質的相互作用，目前已經達到了單分子甚至單原子離子檢測水平。迴音壁微腔可以用來檢測不同類型的顆粒，實驗上通過利用聚苯乙烯、金納米球、病毒或者二氧化硅等顆粒進行驗證，檢測的大小範圍通常是幾十到幾百納米量級。在2008 年，Frank Vollmer 等利用微球腔的模式移動機製成功實現了單聚苯乙烯顆粒和單個流感病毒(influenza A virus)的檢測[22](圖5(a，b)。在2010 年，Lan Yang 研究組也是通過檢測聚苯乙烯小球顆粒驗證了模式分裂傳感機制的可行性，並同時驗證了模式分裂可以得到納米顆粒尺寸信息[24](圖5(c，d))。在2013 年，北京大學肖雲峯研究組也通過對聚苯乙烯顆粒和單病毒顆粒的檢測驗證了模式展寬探測機制的可行性[28](圖5(e，f))。

圖5 單納米顆粒及單病毒顆粒檢測，分別基於以下幾種微腔傳感機制：(a，b)模式移動

[22]；(c，d)模式分裂[24]；(e，f)模式展寬[28]

迴音壁模式微腔具有超高靈敏度和芯片集成以及對待測物總量要求低等優點，近年來受到生物傳感領域的廣泛關注。生物傳感是迴音壁模式微腔傳感最有前景的應用之一，它也是近年來發展最迅速的領域之一。微腔傳感已經相繼證明瞭可以用來檢測各種蛋白質分子和核苷酸小分子等。早在2002 年，迴音壁微腔第一次用於傳感領域就是利用蛋白質分子進行驗證的，Vollmer 等人成功檢測到納摩爾濃度的牛血清蛋白和鏈黴親和素。2013 年美國Stephen Arnold 研究組利用表面局域等離激元雜化迴音壁微腔成功檢測到質量爲1 ag和0.11 ag的單個甲狀腺球蛋白分子(thyroglobulin)和牛血清蛋白分子(BSA)[52](圖6(a，b))。2016年加州理工大學的Judith Su 研究組將鎖模技術用於追蹤迴音壁模式諧振模長的移動探測到質量爲15.5 kDa 的單個人類白細胞介素2(human interleukin-2 molecule)分子[35](圖6(c，d))。Frank Vollmer研究組利用等離激元增強的迴音壁微腔成功檢測到8 配位的核苷酸，並監測到了核苷酸與其匹配鏈之間的相互作用[53](圖6(e，f))。2017 年他們利用相同的平臺實現了聚合酶(polymerase)和DNA之間的相互作用機制以及聚合酶的構型改變監測[54]。

圖6 生物單分子檢測(a)基於局域表面等離激元雜化微腔的單個牛血清蛋白分子(BSA)探測結構示意圖

[52]；(b)BSA 探測模式移動臺階信號；(c)PDH 鎖模機制光路與電路示意圖；(d)基於鎖模機制的單個人類白細胞介素2 檢測信號[35]；(e)基於局域表面等離激元雜化微腔的單個核苷酸鏈分子檢測模式移動臺階信號，(f)檢測單個核苷酸鏈分子模式移動統計分佈圖[53]

另外，現在大多數微腔傳感實驗都主要是在相對簡單的溶液環境中進行驗證的，但是在複雜環境中，如果希望檢測某種顆粒或者分子，就需要藉助一些化學修飾、表面功能化或者分子拉曼檢測[55，56]等方式進行特異性識別。

3.2 溫度傳感

迴音壁模式光學微腔進行溫度傳感的基本原理是：當微腔所處環境溫度改變時，由於微腔材料本身的熱折變或者熱膨脹效應，分別導致材料折射率和微腔尺寸的改變，二者均會改變共振模式的諧振波長。如之前所提到的，在模式移動傳感機制中，諧振波長很容易受到熱效應的影響，包括微腔所處環境的溫度起伏以及探測光對微腔的加熱效應，二者均會導致共振模式諧振波長的移動，在信號中引入熱噪聲。在抑制熱噪聲上，我們常用的微腔材料主要是二氧化硅和硅材料，它們具有正的熱膨脹係數與熱折變係數，He等人通過在二氧化硅微芯圓環腔表面塗覆上一層熱折變係數爲負的PDMS材料，通過設計PDMS層厚度完全抑制了微腔的熱折變噪聲[57—59]。從另一方面考慮，我們可以利用迴音壁模式微腔的溫度敏感特性來實現高靈敏度的溫度傳感。

一般地，在折射率爲n 和半徑爲R 的微腔中，共振波長可以近似爲

當微腔環境溫度T改變時，共振波長的變化量爲

其中m爲迴音壁模式角模式數，dn/dT和(1/R)(dR/dT)分別爲腔體材料的熱折變係數和熱膨脹係數。因此提高腔體材料的熱折變係數和熱膨脹係數，即可提高溫度靈敏度。另外，提高微腔的品質因子同樣也可以提高對溫度的分辨率。

從2006 年Nawrocka 等在硅環形微腔中實現了靈敏度爲0.11 nm/K 的溫度調諧[60]以來，有很多利用迴音壁微腔實現溫度傳感的研究工作出現。如上所述，溫度傳感靈敏度可以從微腔的品質因子以及材料的屬性如熱膨脹係數和熱折變係數上考慮。2009 年，Wu 等人在二氧化硅和聚合物結型微腔中分別實現了靈敏度爲52 pm/K 和266 pm/K 的溫度傳感[61]。但是以上工作中硅環形微腔以及聚合物結型微腔的較低的品質因子(不超過104)以及二氧化硅微腔較小的熱折變係數和熱膨脹係數，都無法實現高靈敏度的溫度傳感。後來，2009 年C. Dong 等人制備了品質因子爲106的PDMS微球腔實現了靈敏度爲0.245 nm/K 和探測極限低至2×10-4K的溫度傳感[62]。2010 年B. B. Li 等人通過將PDMS覆蓋在超高品質因子的微芯圓環腔上實現了易於芯片集成的靈敏度爲0.151 nm/K和探測極限低至1×10-4K的溫度傳感[63]。目前，人們已經將在熱光係數較大的材料比如PDMS[59，61，63]、紫外固化膠[64，65]、鈮酸鋰[66]以及染料摻雜的光刻膠[67]和熱膨脹係數較大的絲織物材料[68]用於微腔溫度傳感，已經實現了靈敏度最高爲1.17 nm/K的微腔溫度傳感。圖7 總結了目前典型的迴音壁模式微腔溫度傳感器的品質因子和靈敏度。特別地，2016 年Goldsmith 研究組將金納米棒的表面等離激元與高品質迴音壁微腔結合做出了具有單顆粒分辨率的熱感成像譜儀[69]。另外，如圖8 所示，在2018 年美國聖路易斯華盛頓大學的楊蘭教授研究組將迴音壁微芯圓環腔及其耦合裝置、可調諧單模激光器、光電探測器、光電處理單元和Wi-Fi 單元封裝芯片集成，做成了具有物聯網控制功能的高靈敏度溫度傳感器並將之成功用於航空測繪領域[7]，將迴音壁微腔溫度傳感器向實際應用推進了一大步。

圖7 幾種典型微腔溫度傳感器的品質因子Q和溫度傳感靈敏度

[5]

圖8 無線迴音壁微腔溫度傳感器

[7](a)無線迴音壁微腔溫度傳感系統示意圖。探測光從DBR激光器中傳輸到封裝的迴音壁微腔中，光電探測器接收經過微腔的傳輸譜，然後經過信號放大單元與光電處理單元。傳感系統可以通過Wi-Fi 單元利用智能手機控制和讀出分析；(b)傳感器的蘋果iOS 手機控制軟件；(c)傳感系統主板圖

3.3 磁場傳感

迴音壁微腔磁場傳感主要是基於磁致伸縮效應的腔光力磁力儀。由於它體積小，易於片上集成，且可以常溫下工作等優勢，近些年來吸引了人們很多的研究興趣。通常將磁致伸縮材料和微腔材料結合，外界磁場會通過磁致伸縮材料的形變造成微腔尺寸的變化；而週期性變化的交變磁場則會引起微腔尺寸的週期性變化，從而對微腔的光學共振波長週期性調製。當磁場週期與微腔的機械模式共振時，引起的微腔形變由於機械共振效應而被放大；同時由於迴音壁模式光學極高的光學品質因子，其光學讀出信號也被放大。這種光學與機械模式的雙共振效應，使得這種微腔光力學磁力儀具有很高的靈敏度。而且，由於微腔在很寬的頻率範圍上支持多個機械模式，因此微腔光力學磁力儀有很寬的工作頻率範圍，即帶寬。目前用作腔光力磁力儀的磁致伸縮材料主要爲鋱鏑鐵稀土材料(Terfenol-D)[70—74]，由於其在常溫下具備較大的磁致伸縮係數。2012 年，S. Forstner等人第一次通過用膠水將Terfenol-D 粘合到微芯圓環腔頂部實現了MHz頻段靈敏度爲400 nT/Hz1/2的腔光力磁力儀[70](圖9(a))。2014 年，S. Forstner等人通過微納加工在微芯圓環腔內部製備微孔並將Terfenol-D 放置於微孔內從而增強Terfenol-D 的伸縮與微腔機械模式的耦合，將MHz頻段的靈敏度提高至200 pT/Hz1/2，並利用Terfenol-D 磁致伸縮的非線性效應將低頻磁場的響應混合到高頻，實現了對低頻段磁場的探測[71](圖9(b))。2018 年，B. B. Li 等人通過磁控濺射法制備Terfenol-D 薄膜於微腔中，實現了微腔磁力儀的批量製備，這種方法制備的磁力儀可控性好，並具有較好的一致性[72](圖9(c))。2018 年，B. B. Li 等人通過利用相位壓縮光降低磁力儀系統中來自探測激光的散粒噪聲[73]，從而可以提高微腔磁力儀的靈敏度。與利用相干光探測相比，將磁力儀的靈敏度提高了20%左右，將磁力儀的3 dB帶寬提高50%左右(圖9(d))。

此外，低頻段(kHz 及其以下)磁場的檢測在一些特定的應用中，如地磁檢測、腦磁檢測等方面具有非常重要的應用。爲了實現低頻段磁場的檢測，2016 年，於長秋等人通過將Terfenol-D 圓柱放置於釐米尺寸的氟化鈣晶體腔中，實現了在kHz 頻段131 pT/Hz1/2的靈敏度[74](圖9(e))。2017年，J. Zhu 等人通過PDMS 將毫米尺寸的磁鐵包裹於二氧化硅微腔上方，利用磁場對磁鐵的力矩在PDMS 中形成應力，從而改變其折射率來調諧光學共振模式，實現了kHz頻段880 pT/ Hz1/2的靈敏度[75](圖9(f))。

3.4 化學氣體傳感

迴音壁模式微腔在化學氣體傳感領域運用也比較廣泛。通常在微腔表面覆蓋一層具有某種化學氣體特異性識別功能材料如聚合物層，當待測氣體與功能材料接觸後會導致功能材料的折射率等物理參數的變化，一般通過檢測迴音壁模式諧振波長的移動判斷氣體的存在與否或者進一步獲取氣體濃度等信息。目前回音壁微腔可以成功用於檢測氨氣[42，76]、二硝基苯酚氣體[77]、乙醇氣體[78—81]和氦/氬氣[82]等。其中，在2007 年B. Yao 等人利用將石墨烯材料放入微泡腔內部如圖10 所示，利用其布里淵光機械模式實現了超高靈敏度的氨氣檢測[42]。

圖10 基於石墨烯材料的布里淵光機械模式微腔氣體傳感(a)石墨烯—微泡腔的氣體傳感裝置示意圖；(b)機械模式頻率與氨氣濃度之間的關係

3.5 應力/壓強傳感

利用迴音壁微腔實現應力或者壓強的傳感原理通常爲：應力或者壓強變化導致微腔形變或者擠壓導致的折射率變化，引起微腔迴音壁模式諧振波長的移動。目前應力/壓強傳感主要基於微球腔[83，84]和微泡腔[85—87]爲主。微泡腔由於可調諧性能和具有毛細管通道等優點，近年來經常被用於微流以及應力壓強傳感領域。從另一個角度看，應力也提供了一種有效的調諧微腔光學模式的途徑。例如，2018 年，C. Bekker 等人通過在微腔上設計電極結構，從而可以通過電場調諧微腔的模式，實現了微腔的整個自由光譜範圍的調諧[88]，爲可重構光學網絡提供了元器件。此外，2018 年S. J. Tang 等人利用應力調諧具有激光增益的有源微泡腔，實現了可調諧的激光出射，並通過遠場激發遠場收集有效解決了光線錐與微腔耦合不穩定等問題[9]。

4 總結與展望

本文首先總結了迴音壁模式微腔傳感的研究歷史與研究現狀、迴音壁微腔結構、特徵參數以及耦合方式。然後介紹了迴音壁模式微腔的傳感機制以及靈敏度提高的新機制與新方法。最後敘述了微腔傳感在單顆粒探測、生物傳感、磁場傳感、溫度傳感、化學氣體傳感、壓力/應力傳感等方面的應用。微腔傳感領域近些年來發展迅速，其靈敏度逐步提高，而真實環境中的生物檢測等應用也爲微腔傳感器的實用性提出了各種挑戰與機遇。例如，爲了克服真實生物液體環境中微腔耦合不穩定的問題，可以採用微泡腔，爲生物檢測樣品提供微流通道。而爲了實現原位檢測，可以將微納迴音壁微腔激光器植入生物機體內，就可以直接通過遠程激發和遠程讀取激光信號實現生物體原位信息檢測[89—93]。隨着微納加工技術的進步，人們有望逐步解決迴音壁微腔傳感器在真實應用中的各種技術挑戰，從而將微腔傳感器推向真實的應用。

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本文選自《物理》2019年第3期