DOI: https://doi.org/10.1117/1.apn.5.2.026016
تاريخ النشر: 2026-03-10
المؤلف: Qi Song وآخرون
الموضوع الرئيسي: الرنانات الميكانيكية والبصرية
نظرة عامة
تقدم البحث مستشعر صوتي ميكروكافتي بتقنية وضع همسات المعرض البصري (WGM) مصمم لتعزيز الحساسية والنطاق الديناميكي لاكتشاف الإشارات الصوتية. من خلال دمج مقياس تداخل الاستقطاب ماخ-زندر الممتد مع الاختيار اللاحق، يحقق المستشعر تحسينًا كبيرًا في الأداء، مما يوسع النطاق الديناميكي إلى النطاق الطيفي الحر (FSR). تصنف الدراسة مناطق الاستشعار إلى مناطق حادة الطور ومناطق محسنة الطور، حيث تظهر كلاهما استجابات صوتية مثالية تتجاوز الطرق التقليدية للنقل. تشير النتائج التجريبية إلى زيادة ملحوظة تبلغ 57.87 ديسيبل في حساسية الكشف وزيادة بمقدار 26 مرة في الحد الأدنى من الضغط الصوتي القابل للكشف (MDAP) مقارنة بالطرق التقليدية.
علاوة على ذلك، يظهر تطبيق الحالات المتماسكة وتقنيات الكشف الهترديني أن لهما القدرة على تضخيم سعة الاستجابة، مما قد يسمح للحساسية بالوصول إلى مستويات دون الميكروباسكال. تشير النتائج إلى أن مستشعر WGM المقترح لا يعالج فقط قيود تقنيات الاستشعار الصوتي الحالية ولكن أيضًا يحمل وعدًا لتطبيقات أوسع، بما في ذلك استشعار الحقول المغناطيسية وسيناريوهات أخرى تتضمن إشارات متغيرة زمنياً. قد يكون التصميم الهيكلي للمستشعر قابلاً للتكيف مع تطبيقات متنوعة، مما يعزز من فائدته في تقنيات الاستشعار الصوتي المتقدمة.
مقدمة
ت outlines المقدمة أهمية المستشعرات الصوتية، التي تحلل خصائص الموجات الصوتية أو الميكانيكية مثل السرعة، السعة، التردد، والطور لمجموعة متنوعة من التطبيقات في البحث العلمي، الحياة اليومية، والإنتاج الصناعي. بينما تُستخدم المستشعرات الصوتية التقليدية القائمة على الكهروضغطية على نطاق واسع، فإن أدائها محدود بعوامل مثل الضغط المكافئ للضوضاء (NEP)، الدقة المكانية، وعرض النطاق الترددي العامل. بالمقابل، تقدم المستشعرات الصوتية البصرية، وخاصة الميكروكافتي بتقنية وضع همسات المعرض (WGM)، حساسية معززة وأداء محسّن بفضل عامل الجودة العالي جداً (Q factor) وحجم الوضع الصغير، مما يجعلها مرشحة واعدة لاستشعار الإشارات الصوتية.
يقترح البحث مستشعر صوتي ميكروكافتي بتقنية WGM عالي الحساسية يستخدم مقياس تداخل الاستقطاب ماخ-زندر الممتد مع الاختيار اللاحق. يسمح هذا النهج بتقسيم مناطق الاستشعار إلى مناطق حادة الطور ومناطق محسنة الطور، مما يحسن النطاق الديناميكي للمستشعر ويقلل من فقدان المعلومات الناتج عن التحولات الرنانة من إشارات صوتية غير معروفة. تظهر النتائج التجريبية تحسنًا قدره 57.87 ديسيبل في حساسية الكشف وزيادة بمقدار 26 مرة في الحد الأدنى من الضغط الصوتي القابل للكشف (MDAP) مقارنة بالطرق التقليدية. لا يظهر المستشعر المقترح فقط إمكانيات عالية الحساسية ونطاق ديناميكي واسع في الاستشعار الصوتي، بل قد يكون أيضًا قابلاً للتطبيق في سيناريوهات استشعار إشارات متغيرة زمنياً أخرى، مما يوسع من فائدته عبر مجالات متنوعة.
النتائج
في هذا القسم، يقدم المؤلفون النتائج التجريبية لمستشعر صوتي بتقنية وضع همسات المعرض (WGM) مع اختيار لاحق، باستخدام مقياس تداخل الاستقطاب ماخ-زندر مع ميكروكافتي MgF₂ متصل. تم تصنيع الميكروكافتي، الذي يبلغ قطره حوالي 3 مم، من بلورة MgF₂ مقطوعة على شكل Z ومتصلة بألياف مدببة. يتضمن الإعداد التجريبي تقنيات تعديل الاستقطاب والاختيار اللاحق لتعزيز الحساسية. يتم تقييم أداء المستشعر من خلال مقارنة استجابته للإشارات الصوتية الجيبية ضد طريقة النقل التقليدية. من الجدير بالذكر أن مستشعر WGM المختار لاحقًا يظهر سعة استجابة أكبر بمقدار 30 مرة من طريقة النقل، على الرغم من أن شدة الضوء المستلم أضعف بمقدار 14 ديسيبل.
يكشف التحليل الكمي عن تحسين في حساسية الكشف قدره 57.87 ديسيبل مقارنة بطريقة النقل، مع نسبة إشارة إلى ضوضاء (SNR) تبلغ 47.52 ديسيبل وقيمة الحد الأدنى من الضغط الصوتي القابل للكشف (MDAP) تبلغ 7.30 mPaHz\(^{-1/2}\). هذه النسبة أعلى بمقدار 28.43 ديسيبل من تلك الخاصة بطريقة النقل، مما يشير إلى تحسين يزيد عن 26 مرة في MDAP. بالإضافة إلى ذلك، أجرى المؤلفون تجارب إضافية باستخدام حالات متماسكة وتقنيات الكشف الهترديني، محققين تحسينًا في سعة الاستجابة قدره 30.07 ديسيبل، مما يشير إلى إمكانية تعزيز الحساسية حتى مستوى دون الميكروباسكال. بشكل عام، يظهر مستشعر WGM المختار لاحقًا تقدمًا كبيرًا في الحساسية والأداء مقارنة بالطرق التقليدية.
المناقشة
في هذا القسم، يقدم المؤلفون مستشعر صوتي بتقنية وضع همسات المعرض (WGM) مع اختيار لاحق مصمم لتحقيق حساسية عالية ونطاق ديناميكي واسع لقياس الإشارات الصوتية. يستخدم المستشعر مقياس تداخل الاستقطاب ماخ-زندر الممتد، حيث يتم دمج الميكروكافتي WGM في ذراع الإشارة. تتضمن عملية الاستشعار أربع خطوات رئيسية: تعديل الاستقطاب، التفاعل مع وحدة الاستشعار الصوتية WGM، الاختيار اللاحق، والكشف. يؤثر تفاعل الموجة الصوتية مع الميكروكافتي على خصائص النقل والطور، والتي يتم تحليلها بعد ذلك من خلال الاختيار اللاحق لتعزيز الكشف عن الإشارة الصوتية. تشير التعبيرات الرياضية التي تحكم أداء المستشعر إلى أن شدة الضوء الناتج تتأثر بكل من خصائص النقل وخصائص الطور لوضع الكافتي، مما يسمح باسترجاع فعال للإشارة.
يصنف المؤلفون مناطق الاستشعار إلى مناطق حادة الطور ومناطق محسنة الطور، حيث تظهر الأخيرة حساسية محسنة ونطاق ديناميكي أكبر مقارنة بالطرق التقليدية للنقل. يكشف تحليل الأداء أن مستشعر WGM المختار لاحقًا يمكن أن يحقق تحسينًا في حساسية الكشف قدره 57.87 ديسيبل مقارنة بالطرق التقليدية، مع حد أدنى من الضغط الصوتي القابل للكشف (MDAP) يبلغ 7.30 mPaHz\(^{-1/2}\)، مما يمثل تحسينًا بمقدار 26 مرة. تشير النتائج إلى أن تصميم المستشعر، وخاصة اختيار زاوية الاختيار اللاحق وقوة الربط، يلعب دورًا حاسمًا في تحسين أدائه. بشكل عام، يبرز هذا البحث إمكانيات مستشعر WGM المختار لاحقًا لمجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك استشعار الحقول المغناطيسية، من خلال الاستفادة من حساسيته الفائقة ونطاقه الديناميكي.
DOI: https://doi.org/10.1117/1.apn.5.2.026016
Publication Date: 2026-03-10
Author(s): Qi Song et al.
Primary Topic: Mechanical and Optical Resonators
Overview
The research presents a novel optical whispering gallery mode (WGM) microcavity acoustic sensor designed to enhance sensitivity and dynamic range for acoustic signal detection. By integrating an extended Mach-Zehnder polarization interferometer with postselection, the sensor achieves a significant improvement in performance, extending the dynamic range to the free spectral range (FSR). The study categorizes the sensing regions into phase-drastic and phase-enhanced regions, both of which demonstrate optimal acoustic responses that surpass traditional transmission methods. Experimental results indicate a remarkable 57.87 dB increase in detection sensitivity and a 26-fold enhancement in the minimal detectable acoustic pressure (MDAP) compared to conventional approaches.
Furthermore, the application of coherent states and heterodyne detection techniques is shown to amplify the response amplitude, potentially allowing sensitivity to reach sub-micropascal levels. The findings suggest that the proposed WGM sensor not only addresses the limitations of existing acoustic sensing technologies but also holds promise for broader applications, including magnetic field sensing and other scenarios involving time-varying signals. The structural design of the sensor may be adaptable for various applications, enhancing its utility in advanced acoustic sensing technologies.
Introduction
The introduction outlines the significance of acoustic sensors, which analyze acoustic or mechanical wave characteristics such as velocity, amplitude, frequency, and phase for various applications in scientific research, daily life, and industrial production. While traditional piezoelectric acoustic sensors are widely used, their performance is limited by factors such as noise equivalent pressure (NEP), spatial resolution, and working bandwidth. In contrast, optical acoustic sensors, particularly Whispering Gallery Mode (WGM) microcavities, offer enhanced sensitivity and improved performance due to their ultrahigh quality factor (Q factor) and small mode volume, making them promising candidates for acoustic signal sensing.
The paper proposes a novel high-sensitivity optical WGM microcavity acoustic sensor that utilizes an extended Mach-Zehnder polarization interferometer with postselection. This approach allows for the division of sensing regions into phase-drastic and phase-enhanced areas, improving the sensor’s dynamic range and reducing information loss caused by resonant shifts from unknown acoustic signals. Experimental results demonstrate a 57.87 dB improvement in detection sensitivity and a 26-fold enhancement in minimal detectable acoustic pressure (MDAP) compared to traditional methods. The proposed sensor not only shows potential for high sensitivity and wide dynamic range in acoustic sensing but may also be applicable to other time-varying signal sensing scenarios, thereby expanding its utility across various fields.
Results
In this section, the authors present the experimental results of a postselected Whispering Gallery Mode (WGM) acoustic sensor, utilizing a polarization Mach-Zehnder interferometer with a coupled MgF₂ microcavity. The microcavity, approximately 3 mm in diameter, is fabricated from Z-cut MgF₂ crystal and coupled with a tapered fiber. The experimental setup involves polarization modulation and postselection techniques to enhance sensitivity. The sensor’s performance is evaluated by comparing its response to sinusoidal acoustic signals against a traditional transmission method. Notably, the postselected WGM sensor demonstrates a response amplitude that is 30 times greater than that of the transmission method, despite having a received light intensity that is 14 dB weaker.
Quantitative analysis reveals a detection sensitivity improvement of 57.87 dB over the transmission method, with a signal-to-noise ratio (SNR) of 47.52 dB and a minimum detectable acoustic pressure (MDAP) value of 7.30 mPaHz\(^{-1/2}\). This SNR is 28.43 dB higher than that of the transmission method, indicating over a 26-fold enhancement in MDAP. Additionally, the authors conducted further experiments using coherent states and heterodyne detection, achieving a response amplitude improvement of 30.07 dB, which suggests potential sensitivity enhancement down to the sub-micropascal level. Overall, the postselected WGM acoustic sensor exhibits significant advancements in sensitivity and performance compared to conventional methods.
Discussion
In this section, the authors present a novel postselected Whispering Gallery Mode (WGM) acoustic sensor designed to achieve high sensitivity and a wide dynamic range for acoustic signal measurement. The sensor utilizes an extended polarization Mach-Zehnder interferometer, where the WGM microcavity is integrated into the signal arm. The sensing process involves four key steps: polarization modulation, interaction with the WGM acoustic sensing unit, postselection, and detection. The interaction of an acoustic wave with the microcavity alters its transmission and phase characteristics, which are then analyzed through postselection to enhance the detection of the acoustic signal. The mathematical expressions governing the sensor’s performance indicate that the output light intensity is influenced by both the transmission and phase characteristics of the cavity modes, allowing for effective signal retrieval.
The authors further categorize the sensing regions into phase-drastic and phase-enhanced regions, with the latter demonstrating significantly improved sensitivity and dynamic range compared to traditional transmission methods. The performance analysis reveals that the postselected WGM acoustic sensor can achieve a detection sensitivity improvement of 57.87 dB over conventional methods, with a minimum detectable acoustic pressure (MDAP) of 7.30 mPaHz\(^{-1/2}\), representing a 26-fold enhancement. The findings suggest that the sensor’s design, particularly the choice of postselection angle and coupling strength, plays a crucial role in optimizing its performance. Overall, this research highlights the potential of the postselected WGM acoustic sensor for various applications, including magnetic field sensing, by leveraging its superior sensitivity and dynamic range.