Миниатюрный оптический микрофон с резонатором на модах шепчущей галереи
MINIATURE OPTICAL MICROPHONE WITH RESONATOR ON WHISPERING GALLERY MODES

Изобретение относится к акустике и может быть использовано в конструкции миниатюрных приемников акустических сигналов (микрофонов, гидрофонов, виброфонов, фонендоскопов и т.п.), в датчиках давления, оптико-акустических приемниках.
Известен оптоэлектронный датчик давления (патент РФ 2006016), содержащий зеркальную мембрану и оптический блок измерения величины прогиба мембраны, содержащего источник излучения и первый фотоприемник, связанные между собой с помощью оптического канала, состоящего из конденсора, растра, объектива, двух зеркал и второго фотоприемника, при этом фотоприемники включены навстречу друг к другу.
Работа оптического канала основана на расфокусировке светового потока при прогибах зеркальной мембраны и изменении части светового потока, поступающего на фотоприемник.
Недостатки указанного устройства являются большие габариты, низкая чувствительность устройства.
Известен оптоэлектронный датчик давления (Удалов Н.П. и др. – Приборы и системы управления, 1981, № 5, с. 21-22), содержащий источник и приемник излучения, соединенные световодами с оптическим каналом, выполненным в виде треугольной призмы, мембрану, установленную с зазором относительно призмы, блок выделения сигнала, соединенный с приемником.
Недостатками указанного устройства заключаются в больших габаритах и  низкой чувствительности.
.
2
Известен миниатюрный оптико-акустический приемник с емкостным детектором перемещений [Chйvrier J.-B., Baert K., Slater T., An infrared pneumatic detector made by micromachining technology // J. Micromech. Microeng 5, pp. 193-195, (1995); Marco Schossig, Volkmar Norkus, Gerald Gerlach. A pneumatic infrared detector with capacitive read-out circuit //SENSOR + TEST Conferences 2 0 1 1, IRS  Proceedings, р. 109-114], состоящий из камеры с входным окном, подвижной мембраны, закрепленной по периметру на корпусе на выходном конце камеры, и емкостного детектора перемещений.
Недостатком указанного устройства является его низкая чувствительность.
Известно устройство оптического микрофона в составе оптико-акустического приемника (ОАП) (патент РФ 2169911). Устройство содержит камеру, имеющую входное окно, поглощающую пленку и зеркальную мембрану и оптического блока измерения величины прогиба мембраны, состоящего из оптического микрофона. Оптический микрофон включает последовательно установленные источник излучения, основной конденсор, прозрачный растр и объектив, причем прозрачный растр установлен в фокальной плоскости объектива, а также светоделительный элемент, установленный по ходу оптических лучей перед основным конденсором и фотоприемником.
Недостатками данного устройства являются большие габариты, сложность конструкции и использования, низкая чувствительность.
Последующее развитие оптико-акустического приемника было направлено на увеличение чувствительности приемника, расширение регистрируемого диапазона длин волн, общее снижение уровня шума приемника. Одним из решений является ОАП, описанный в публикации «Современные оптико-акустические приемники излучения», Оптический журнал, № 5, 1994, с. 5, 6. В указанном ОАП, который также содержит камеру, в которой поглощается электромагнитное излучение и возникают колебания давления, поглощение происходит неселективно в широкой области от 1 до 3000 мкм. Пульсации давления вызывают колебания зеркальной мембраны, представляющей собой одну из стенок приемной камеры. Колебания мембраны регистрируются в оптическом блоке измерения величины прогиба мембраны с помощью оптического микрофона, состоящего из источника вспомогательного излучения, конденсора, прозрачного растра, зеркала и фотоприемника. Через растр на мембрану конденсором проецируется изображение вспомогательного источника излучения, которое затем через вторую половину растра и конденсора направляется зеркалом через диафрагму на фотоприемник. Такая конструкция позволяет улучшить чувствительность приемника.
Недостатками данного устройства являются большие габариты, сложность и недостаточная чувствительность.
Известен оптический микрофон по А.С. СССР N 627599 содержащий корпус, мембрану, закрепленную по периметру на корпусе, и установленные внутри корпуса монохроматический источник света, фокусирующую линзу, светоделительный кубик, зеркало, линзу и фотоприемник. Микрофон работает следующим образом. Акустическая волна возбуждает механические колебания мембраны, которые преобразуются в электрический сигнал при помощи оптоэлектронного устройства. Пучок света, излучаемый монохроматическим источником света, фокусируется линзой и расщепляется светоделительным кубиком на два пучка. Один из расщепленных пучков отражается от неподвижного зеркала, другой от мембраны. Отраженные пучки света создают интерференционную картину, меняющуюся в зависимости от положения мембраны, которая расширяется при помощи линзы и проектируется на входное окно фотоприемника.
Недостатками устройства являются большие габариты, сложность и низкая чувствительность.
Известен оптический микрофон по патенту РФ 1553936, состоящий из плоскопараллельной оптически прозрачной пластины с отражающими поверхностями, закрепленной консольно в корпусе с касанием свободным концом мембраны. Мембрана, прогибаясь под действием акустической волны, изменяет наклон пластины в параллельном потоке света и изменяет интенсивность прошедшего через пластины света.
Недостатками устройства являются его большие габариты, сложность, и низкая чувствительность.
Известен оптический микрофон, патент РФ 2047944, содержащий корпус, мембрану, закрепленную по периметру корпуса, оптический блок измерения величины прогиба мембраны, состоящего из источника монохроматического излучения, фокусирующей линзы, фотоприемника, причем на внутренней поверхности мембраны по спирали выполнены продольные пазы, в которых размещен волоконно-оптический световод. Пазы покрыты пленкой. Источник монохроматического излучения и фокусирующая линза установлены напротив первого конца волоконно-оптического световода, а фотоприемник расположен напротив второго конца волоконно-оптического световода.
Недостатками данного устройства являются сложность конструкции и низкая чувствительность.
Известен оптический микрофон по патенту РФ 2273115, содержащем корпус, мембрану, закрепленную по периметру корпуса, источник излучения, волоконно-оптический световод, фокусирующую линзу и фотоприемник. Оптический микрофон снабжен направляющей линзой, установленным за ней поляризатором, анализатором, установленным перед фокусирующей линзой, фотоумножителем и регистратором, при этом анализатор соединен через шток с внутренней поверхностью мембраны с возможностью поворота при помощи пружинно-рычажного механизма, а источник излучения оптически связан через волоконно-оптический световод, направляющую
линзу, поляризатор, анализатор, фокусирующую линзу, фотоприемник, фотоумножитель с регистратором.
Недостатками данного устройства являются сложность конструкции, большие габариты и низкая чувствительность.
Кроме того, известно, что уменьшение диаметра гибкой мембраны приводит к значительному уменьшению чувствительности приемного устройства [И. С. Гибин, П. Е. Котляр. Матричный оптико-акустический приемник ТГц излучения нанооптоэлектромеханическими элементами на основе перфорированного SLG графена // Прикладная физика, 2020, № 3, с. 76-82.].
В качестве прототипа выбрано устройство оптического микрофона по евразийскому патенту EA 011914 B1 20090630, содержащего подвижную мембрану с зеркальным покрытием с внешней стороны и оптического блока измерения величины прогиба мембраны, включающего источник вспомогательного монохроматического когерентного оптического излучения, детектор излучения и оптическую систему, выполненную с возможностью обеспечения прохождения вспомогательного излучения от указанного источника к зеркальной мембране, обратного прохождения отраженного вспомогательного излучения на детектор излучения.
Недостатком данного устройства являются большие габариты и недостаточная чувствительность.
Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, а именно создание миниатюрного оптического микрофона с высокой чувствительностью.
Указанная задача достигается тем, что оптический микрофон, содержащий подвижную мембрану с зеркальным покрытием с внешней стороны и оптический блок измерения величины прогиба мембраны, включающего источник монохроматического когерентного оптического излучения, детектор излучения, новым является то, что оптический блок измерения величины прогиба мембраны состоит из резонатора мод шепчущей галереи, выполненного в виде сферической диэлектрической частицы с усеченной вершиной или в форме усеченного кругового цилиндра, размерами не менее длины волны используемого излучения и обращенной усеченной вершиной к зеркальной поверхности подвижной мембраны, установленной с зазором к ней и облучаемой электромагнитным излучением с обратной стороны усеченной поверхности сферической частицы с длиной волны излучения возбуждающей в резонаторе моды шепчущей галереи. Кроме того, в материал резонатора мод шепчущей галереи внедрены квантовые излучатели, типа квантовой точки. Кроме того, в материал резонатора мод шепчущей галереи внедрены наночастицы с флуоресцирующим веществом.
Авторам не известны технические решения, содержащие сходные отличительные признаки и их использование для заявленной цели - увеличения чувствительности оптического микрофона и уменьшения габаритов устройства.
Впервые на возможность создания электромагнитных резонаторов с использованием мод шепчущей галереи (МШГ), возникающих при полном внутреннем отражении от поверхности аксиально-симметричного тела, указал в 1939 году Роберт Рихтмайер [R.D. Richtmyer. Dielectric resonators // J. Of Applied Physics. 10:391-398, 1939].
Известны оптические датчики, использующие высокодобротные собственные резонансы (моды «шепчущей галереи»), возбуждаемые в симметричных диэлектрических структурах [Zheng Y, Wu Z F, Shum P P, Xu Z L, Keiser G et al. Sensing and lasing applications of whispering gallery mode microresonators // Opto-Electronic Advances 1, 180015 (2018)], например, датчики на кольцевых [P. Zhang, C. Zhang, Z. Yan, Simultaneous measurement of the refractive index and the pressure by mode splitting in concentric triple microring resonators with a single opening // Appl. Opt. 60, 2958-2966 (2021).], дисковых [T. Ma, J. Yuan, L. Sun, Z. Kang, B. Yan, X. Sang, K. Wang, Q. Wu, H. Liu, and J. Gao, Simultaneous measurement of the refractive index and temperature based on microdisk resonator with two whispering gallery modes // IEEE Photon. J. 9, 6800913 (2017)], мульти-кольцевых [K. De, I. Bartolozzi, E. Schacht, P. Bienstman, and R. Baets, Silicon-on-Insulator microring resonator for sensitive and label-free biosensing //  Opt. Exp. 15, 7610–7615 (2007).], «бутылочных» [F. Gu, F. Xie, X. Lin, S. Linghu, W. Fang, H. Zeng, L. Tong , S. Zhuang, Single whispering-gallery mode lasing in polymer bottle microresonators via spatial pump engineering // Light Sci. Appl. 6, e17061 (2017)] и сферических МШГ микрорезонаторах [A.R. Ali, Micro-optical vibrometer/accelerometer using dielectric microspheres // Appl. Opt. 58, 4211-4219 (2019)]. МШГ - это оптический резонанс, локализованный близко к внешнему краю резонатора с высоким коэффициентом добротности, т.е. узкой шириной линии.
Принцип действия сенсоров на МШГ, как правило, заключается в измерении пропускания специальной оптической линии (оптического волокна, или полоски), использующейся для возбуждения и приема сигнала резонатора МШГ, при сканировании частоты возбуждения перестраиваемым лазером. В пределах контура МШГ пропускание волокна резко падает, что является индикатором настройки на резонанс. Любое механическое или тепловое воздействие на резонатор изменяет его характеристики и рабочую частоту МШГ, что детектируется с помощью спектрометра. По величине спектрального смещения МШГ можно судить об уровне механической нагрузки на резонатор.
Недостатком оптических датчиков на основе резонатора МШГ является необходимость обеспечения механического контакта чувствительного к внешней нагрузке датчика (мембраны) и резонатора МШГ и ограничивает сферу их применения, а также долговечность конструкции.
Излучательная добротность резонатора МШГ экспоненциально растет с ростом отношения радиуса резонатора к длине волны и поэтому не препятствует достижению сколь угодно высоких значений добротности [А.Н. Ораевский. Волны шепчущей галереи // Квантовая электроника 32 (5), 2002, 377-400].
Резонаторы шепчущей галереи изготавливают в форме сферы, цилиндра, диска или многоугольника и в оптическом диапазоне длин волн могут иметь характерные размеры, примерно от нескольких микрон [А. И. Сидоров, «Основы фотоники: физические принципы и методы преобразования оптических сигналов в устройствах фотоники». Учебное пособие. СПб.: ФГБОУ ВПО «СПб НИУ ИТМО», 2014 г. – 148 стр.].
Возбуждение МШГ возможно приповерхностными волнами скользящего падения на поверхность шара – шаровидного резонатора МШГ [А.Н. Ораевский. Волны шепчущей галереи // Квантовая электроника 32 (5), 2002, 377-400]. Такие волны можно создать, например, используя призму полного внутреннего отражения, диэлектрический волновод круглого или прямоугольного сечения или волоконного волновода со скосом. Приповерхностные поля в призме полного внутреннего отражения и волноводах экспоненциально уменьшаются при удалении от поверхности призмы (волновода). Изменяя расстояние от призмы (волновода) до поверхности шара, можно управлять степенью возбуждения модами шепчущей галереи.
Вместе с тем, возбуждение МШГ в объемных микроструктурах может быть осуществлено не только затухающими электромагнитными полями с помощью конического волокна, или призмы, но также и при освещении микрочастицы прямым излучением [L. Cai, J. Pan, S. Hu. Overview of the coupling methods used in whispering gallery mode resonator systems for sensing // Optics and Lasers in Engineering 127, 105968 (2020)]. Несмотря на меньшую эффективность возбуждения, такой способ имеет неоспоримые преимущества в том, что не требует точного позиционирования элемента, передающего оптическое возбуждение и резонатора МШГ. Важно, что эффективность возбуждения МШГ в микрочастице прямым излучением можно существенно повысить, используя различные приемы, например, боковое освещение структурированным сфокусированным пучком [A.A. Zemlyanov, Yu.E. Geints. Efficiency of excitation of the spatial resonant configurations of the internal optical field of spherical microparticles by focused laser beams // Atmospheric and Oceanic optics 13, 412-422 (2000)] и т.д.
Известны резонаторы МШГ выполненные в форме усеченной сферы или цилиндра (так называемых частиц Януса). В таком резонаторе обеспечиваются  резкие резонансы в зависимости от глубины удаленного сегмента сферы или цилиндра. Эти резонансы связаны с возбужденными волнами шепчущей галереи, вызванными усечением. Это новый механизм локализации поля. Оптимизация этого эффекта для цилиндров позволяет достичь сверхразрешения по толщине линии и имеет максимальную интенсивность излучения линии [Igor V. Minin, Oleg V, Minin, Yinghui Cao, Bing Yan, Zengbo Wang, Boris Luk'yanchuk. Photonc lenses with whispering gallery waves at Janus particles // препринт, https://arxiv.org/abs/2012.09489 ].
Изобретение поясняется чертежами.
На Фиг. 1 изображено схематично устройство.
Обозначения: 1 – источник монохроматического когерентного излучения, 2 – излучение облучающее резонатор МШГ, 3 – резонатор МШГ в виде сферической диэлектрической частицы с усеченной вершиной, 4 – прошедшее и отраженное излучение от зеркальной мембраны, 5 - гибкая мембрана с зеркальным покрытием с внешней стороны, 6 – детектор излучения.
Работа устройства происходит следующим образом. В качестве источника монохроматического когерентного оптического излучения 1 может выступать, например, лазер. Электромагнитное излучение 2 источника 1 облучает резонатор МШГ 3 и возбуждает в нем моды шепчущей галереи, прошедшее через резонатор 3 излучение отражается от гибкой мембраны с зеркальным покрытием с внешней стороны 5. Резонанс внутреннего поля диэлектрического резонатора МШГ 3 возникает при настройке частоты падающей световой волны на частоту одной из собственных мод резонатора. В этом случае происходит перестройка пространственной структуры внутреннего поля, приводящая к резкому подъему интенсивности и локализации поля вблизи поверхности диэлектрического резонатора МШГ 3 с усеченной вершиной с образованием кольцевых периодических структур в форме стоячих волн. Резонатор МШГ 3 обращен усеченной вершиной к зеркальной поверхности подвижной мембраны 5.
В результате интерференции резонансных мод «шепчущей галереи» (МШГ), возбуждаемых в диэлектрической сферической микрочастице с усеченной вершиной (или цилиндре с усеченной вершиной) 3 прямым и отраженным от гибкого зеркала 5 оптическим излучением. При этом интерференция МШГ может носить конструктивный или деструктивный характер в зависимости от разности фаз возбуждающих МШГ волн, что приведет к изменению амплитуды результирующего резонансного поля в частице. В свою очередь, разность фаз прямой и отраженной волн зависит от величины прогиба зеркальной мембраны 5, возникающей под действием избыточного давления анализируемого вещества, находящегося с обратной стороны зеркала устройства.
При синхронизации фаз между парными МШГ, возбуждение результирующей собственной моды происходит с кратно большей интенсивностью, чем в классической ситуации однонаправленного освещения частицы плоской волной, или широким пучком.
Фотодетектор 6 (фотодиод, ФЭУ) преобразует оптический сигнал интенсивности моды шепчущей галереи в пропорциональный ему по амплитуде электрический сигнал.
При возбуждении мод шепчущей галереи в резонаторе 3 возникают приповерхностные поля на его поверхности и через затухающие колебания взаимодействуют с мембраной с зеркальной поверхности 5, отражаясь от нее и меняя интенсивность мод в сферическом с усеченной вершиной диэлектрическом резонаторе 4. Резонатор МШГ 3 установлен с зазором с зеркальной поверхностью подвижной мембраны 5, что определяет максимальное возможное смещение гибкой мембраны. Измеряя интенсивность моды детектором излучения 6 можно судить об амплитуде колебаний мембраны и следовательно об амплитуде акустической волны падающей на мембрану или величине давления, вызывающего смещение мембраны.
Таким образом, устройство миниатюрного оптического микрофона, основанного на эффекте возбуждения МШГ в диэлектрической микросфере с усеченной вершиной и с размерами не менее длины волны излучения (мезоволновая частица). Особенностью предлагаемого устройства является способ возбуждения высокодобротных собственных резонансов (прямое освещение) и бесконтактный тип размещения чувствительного к давлению элемента – гибкой зеркальной мембраны.  Что упрощает устройство по сравнению с возбуждением МШГ приповерхностными волнами скользящего падения. При этом за счет наличия у мембраны оптического отражения происходит двойное возбуждение МШГ сферы с усеченной вершиной сначала прямым, а затем отраженным излучением. Оптическая интенсивность результирующего поля МШГ определяется результатом интерференции прямой и отраженной МШГ и зависит от положения гибкой нагруженной мембраны.
Микросфера с усеченной вершиной или круговой усеченный цилиндр может быть выполнена  из диэлектрического материала прозрачного для освещающего излучения.
Зеркальное покрытие гибкой мембраны с внешней стороны может быть выполнена из металла, например, золота или диэлектрика с высоким показателем преломления в необходимом диапазоне излучения.
Если внутри резонатора, в объеме, занятой резонансной модой, поместить квантовые излучатели, типа квантовой точки [T. Huber, M. Davanco, M. Müller, Y. Shuai, O. Gazzano, and G.S. Solomon, Filter-free single-photon quantum dot resonance fluorescence in an integrated cavity-waveguide device // Optica 7, 380-385 (2020)], спайзера [M.A. Noginov, G. Zhu, A. Belgrave, R. Bakker, V.M. Shalaev, E.E. Narimanov, S. Stout, E. Herz,T. Suteewong, U. Wiesner. Demonstration of a spaser-based nanolaser // Nature 460, 1110–1112 (2009)], или наночастицами с флуоресцирующим веществом [D. Lu, M. Pedroni, L. Labrador-Páez, M.I. Marqués, D. Jaque, and P. Haro-González, Nanojet trapping of a single sub-10 nm upconverting nanoparticle in the full liquid water temperature range // Small 17, 2006764 (2021)], то интенсивность их свечения, принимаемая фотоприемником, также будет изменяться в зависимости от прогиба чувствительной зеркальной мембраны.
Большая добротность мод шепчущей галереи позволяет создать на основе резонаторов МШГ, связанного с источником монохоматического когерентного излучения устройства измерения величины прогиба (перемещения) мембраны высокой чувствительности.