《Optics & Laser Technology》：Single-ended submicron wall thickness microbubble resonator for pressure and temperature sensing
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单端微气泡谐振器通过改进电弧放电工艺实现亚微米壁厚（最小224nm），Q因子达10^7，压力灵敏度425 pm/MPa，温度灵敏度3.18 pm/°C，采用双共振波长和传输矩阵法降低耦合误差至0.5835°C和7.4274kPa。
卓青霞|王冠军|王梦宇|谢成峰|张林飞|张家林|薛晨阳|余俊志
海南大学电子科学与技术学院，海口570228，中国
摘要
本文介绍了一种单端微泡谐振器，其壁厚小于微米级别，专为高灵敏度的压力和温度传感而设计。通过改进电弧放电方法，我们成功制备出一种单端微泡结构，该结构的偏心率为约7%，壁厚相对均匀，最小壁厚为224纳米，品质因数为10^7。实验结果表明，该微泡谐振器的压力灵敏度为425皮米/兆帕（在100千帕至150千帕的范围内），温度灵敏度为3.18皮米/摄氏度（在20摄氏度至35摄氏度的范围内）。超薄微泡结构显著提高了谐振器的压力灵敏度。此外，通过采用具有双共振峰波长的微泡结构并结合传输矩阵方法，解耦后的温度和压力均方根误差分别为0.5835摄氏度和7.4274千帕。这种方法有效减轻了温度对压力的影响，为多参数光学传感器提供了一种新的策略。
引言
光学传感技术因其在大气监测[1]、生物传感[3][4][5][6][7][8][9][10][11]和医疗诊断[12][13]中的关键应用而受到广泛关注。 Whispering Gallery Mode（WGM）微腔具有高品质因数（Q因数）和小模式体积[12][14][15]，成为实现高灵敏度传感的理想平台。然而，传统的微腔结构（如微球谐振器[10][16][17][18][19][20][21]）存在明显局限性：大部分WGM能量仍限制在腔体内，而非表面传感区域，从而限制了光与物质的相互作用。微泡谐振器凭借其独特的空腔结构，便于将样品放置在内腔中，同时简化模式，抑制高阶模式，并实现单模输出。微泡结构通常分为单端型和双端型[10][22][23][24][25][26]。例如，先前的研究[27]报道了具有高几何对称性的双端微泡谐振器结构，品质因数可达10^7。但这些结构的壁厚达到2微米，导致压力灵敏度为125皮米/兆帕，温度灵敏度为7.69皮米/摄氏度，限制了性能进一步提升。为了提高传感性能，研究人员将微泡壁厚减至约1.6微米[28]，压力灵敏度提高到164.2皮米/兆帕，但温度灵敏度降至约3.2皮米/摄氏度。然而，这种修改导致品质因数降至10^4。此外，研究人员[29]采用Pound-Drever-Hall（PDH）正交解调方法实现了280皮米/兆帕的压力灵敏度，同时保持了10^6的品质因数；不过这种方法依赖于相对复杂的信号解调系统。相比之下，悬臂式单端结构在控制膜厚均匀性、品质因数和模式特性方面具有更大灵活性，有望提升传感性能。例如，Amy Watkins的团队[30]使用CO2激光技术制备了单端微泡谐振器，品质因数高达105，壁厚在4微米至8微米之间。随后，Rico Hens的团队[31]通过将微泡壁厚进一步减至2微米，提高了传感性能，尽管这种几何不对称性导致品质因数显著下降。近年来，制造技术的持续优化[32]使研究人员能够将单端微泡壁厚减至约913纳米[14]，同时保持良好的几何对称性，并实现高品质因数10^7，用于高灵敏度微力传感。然而，在亚微米壁厚条件下同时实现优异的几何对称性和制造可重复性，并稳定单端微泡谐振器以用于温度和压力传感，仍是该领域需要进一步探索的关键挑战。
本文介绍了一种壁厚小于微米级别的单端微泡谐振器。通过改进电弧放电工艺，我们成功制备出一种具有高对称性（偏心率约为7%）、壁厚相对均匀、最小壁厚为224纳米的单端微泡结构，品质因数为10^7。实验结果表明，其最大压力灵敏度为425皮米/兆帕，温度灵敏度为3.18皮米/摄氏度。由于其超薄微泡结构，该谐振器的压力灵敏度约为Yanran Wu等人报道的125皮米/兆帕的三倍。此外，通过采用双共振峰波长和基于微泡结构的传感矩阵，解耦后的温度和压力均方根误差分别为0.5835摄氏度和7.4274千帕。本文的创新之处在于通过改进电弧放电方法制备了具有亚微米壁厚和优异对称性的单端微泡谐振器，显著提高了压力灵敏度，同时保持了高品质因数，为多参数光学传感器提供了新的思路。
部分摘录
制备和工作原理
图1(a)展示了与锥形光纤耦合的亚微米厚微泡的示意图。泵浦光通过锥形光纤引入微泡结构，激发Whispering Gallery Mode（WGM）。这种受微泡谐振器尺寸及其有效折射率影响的共振WGM模式可用于温度和压力测量。
当谐振器半径远大于共振波长时，光传播...
结果与讨论
在本研究中，我们采用了热拉伸制备技术，使用AFBT-8000光纤熔锥拉伸机（见图1(a)）制备了锥形光纤，其锥体腰部直径为1–2微米[36][37][38]。通过锥形光纤与微泡结构的耦合来激发Whispering Gallery Mode。图4(a)展示了用于亚微米壁厚微泡谐振器的压力和温度测试装置。
结论
总结来说，本文提出并验证了一种基于亚微米超薄壁厚的单端微泡谐振器，能够实现压力和温度的测量。该器件采用改进的电弧放电工艺制造，具有高对称性（偏心率为7%）、相对均匀的壁厚（最薄壁厚为224纳米），品质因数仍为10^7。得益于超薄壁结构，该谐振器的压力灵敏度...
作者贡献声明
卓青霞：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，可视化，验证，项目管理，方法论，数据分析，概念化。王冠军：监督，资源获取，项目管理，方法论，研究调查，资金筹措。王梦宇：监督，项目管理，方法论，研究调查，数据管理，概念化。谢成峰：资金筹措，数据分析，概念化。
资助
本研究得到了海南省科技专项资金（ZDYF2023GXJS013, ZDYF2022SHFZ304）、国家自然科学基金（62175054, 62465014）、海口市重大科技项目（2021–002）以及海南大学数字智能技术协同创新中心（XTCX2022XXC06）的支持。此外，还得到了江西省自然科学基金（20232BCJ23096, 20232BAB212016）的资助。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
