新型空腔鼓膜式膜片，突破光纤FPI超声传感器灵敏度与频率响应瓶颈 | 亮点

Photonics Research 2026年第5期Editors’ Pick：

Jialin Wen, Slawomir Ertman, Dora Juanjuan Hu, Jan Kośnic, Linfeng Lan, Tianyu Yang, Yuming Dong, Quandong Huang, Perry Ping Shum, Xinyong Dong, Tomasz R. Wolinski, Huanhuan Liu, "Breaking the sensitivity-frequency trade-off in a two-photon 3D-printed hollow-tympanic diaphragm Fabry–Perot fiber ultrasonic sensor," Photonics Res. 14, 1807 (2026) 

局部放电是高压电气设备绝缘劣化的重要早期征兆，其伴随产生的超声信号可用于设备状态评估与故障预警。传统电学超声传感器易受电磁干扰，且难以满足微型化与远距离部署需求。膜片式光纤法布里-珀罗干涉（FPI）超声传感器凭借抗电磁干扰、灵敏度高、易于远距离传输等优势，为复杂电磁环境下的局部放电超声检测提供了新的技术路径。然而，膜片式FPI传感器长期面临“灵敏度-频率响应”相互制约的矛盾；提高灵敏度需要减薄膜片，但膜片减薄会同步降低固有频率，难以满足局部放电检测对“高频段微弱声压响应”的双重要求。

针对膜片式光纤FPI超声传感器中灵敏度与频率响应难以兼得的问题，中国科学院深圳先进技术研究院、华南理工大学等联合团队提出了一种空腔鼓膜式膜片结构的光纤法布里-珀罗超声传感器，从结构层面突破了灵敏度与频率响应的互限，在高频段同时获得超高灵敏度响应。图1展示了该工作设计的光纤FPI超声传感器膜片的结构和原理：减薄区域可以增大灵敏度，镂空区域用来调控所需要的频率范围。通过仿真对比无结构膜片，以及该工作膜片的频率和灵敏度，该团队发现二者的制约关系减弱，可进一步优化存在减薄区域和镂空区域的膜片性能。

图1 (a) 膜片结构示意图；(b) FPI传感器原理图；(c)无结构膜片和(d)空腔鼓膜式膜片的归一化灵敏度和固有频率的等值线图。对比(e)减薄区厚度和(f)悬臂梁宽度对膜片性能的影响

该空腔鼓膜式FPI传感器采用双光子3D打印技术直接构建于光纤端面，经过光刻胶浸润、双光子聚合成型以及显影清洗后，获得完整微结构，如图2所示。扫描电镜结果显示，打印结构形貌清晰、边界完整，膜片和空腔结构成型效果良好，体现出较高的加工精度。反射光谱测试结果显示，器件形成了稳定的FPI干涉谱，干涉条纹清晰，对比度约为20 dB，具备良好的光学腔质量和传感测试基础。

图2 (a)双光子3D打印技术的工艺流程；(b)去掉1/4结构的传感器探头扫描电子显微镜图像；(c)传感器在空气中的反射光谱

实验结果表明（图3a），空腔鼓膜式膜片光纤FPI超声传感器在一阶固有频率附近表现出良好的超声响应特性。该传感器的响应与声压变化呈线性关系，且在超声激励下具有稳定的时域响应和频域特征。通过对比不同膜片式光纤超声传感器的灵敏度与频率响应关系，结果表明该工作提出的FPI结构在维持较高工作频率的同时，实现了更高的灵敏度。该工作在一阶固有频率处的灵敏度可以达到1435 nm/kPa，突破了灵敏度和固有频率之间的制约关系（图3b）。该传感器具有尺寸小、结构紧凑、抗电磁干扰能力强等优势，有望应用于高压电气设备局部放电检测、复杂电磁环境下超声监测以及微型化无损检测等领域。

图3 (a) 传感器在一阶固有频率下随声压变化的时域图及电压灵敏度；(b) 空腔鼓膜式传感器与其他已报道方案的性能对比

“这项工作提出了一种空腔鼓膜式膜片结构，一定程度上打破了膜片式光纤FPI超声传感器‘灵敏度-频率响应’相互制约的瓶颈，为高频微弱超声检测提供了一种全新的器件设计思路。”研究团队表示，“所提出的传感器具备微型化、抗电磁干扰、高灵敏度等显著优势，有望在高压电气设备局部放电在线监测、介入式医学光声成像等领域发挥重要作用。”团队下一步将围绕传感器的工程化集成与现场应用验证持续推进，推动光纤超声感知技术从实验室走向电力运维与医学诊疗实际应用。

该工作由中国科学院深圳先进技术研究院、华南理工大学、波兰华沙理工大学、新加坡A*STAR资讯通信研究院、广东工业大学和南方科技大学等多家单位协同攻关。研究中所用的双光子3D打印光纤传感器样品由波兰华沙理工大学制备。该工作充分体现了光纤传感、微纳加工与超声检测等多学科交叉融合及国际协同研究特色。

刘奂奂，中国科学院深圳先进技术研究院副研究员、介入医疗光纤智能感知国际联合实验室主任、博士生导师、国家重点研发计划青年首席科学家，近3年连续入选“全球前2%顶尖科学家”榜单；长期从事光纤传感及应用领域研究，以第一/通信作者在Opto-Electronic Advances、Photonics Research 等SCI期刊发表论文34篇；主持国家重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金委及地方纵向竞争性科研项目8项、企业横向合作项目4项，授权中国发明专利18项。

董玉明，中国科学院深圳先进技术研究院正高级工程师、博士生导师，从事光纤传感、光学设计、光电检测设备的研究和开发。主持科技部重大专项子课题、中国科学院“院地”合作、深圳市技术攻关和深圳市基础布局等多项国、省、市级科研项目，参与“863”、国自然、国防预研、国家海洋局战略新兴产业专项等，取得多项研究成果，累计在国内外期刊上发表学术论文60余篇，申请专利100余项。

温嘉琳，华南理工大学博士，主要研究方向为光纤传感、微纳光纤器件及超声检测应用等，聚焦于复杂电磁环境下高灵敏光纤超声传感器设计与局部放电检测，以第一作者身份在Photonics Research、Journal of Lightwave Technology、Optics & Laser Technology 期刊发表SCI论文3篇，申请发明专利8项。

撰稿 | 中国科学院深圳先进技术研究院 刘奂奂、温嘉琳

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[1].Ruixue Yin, Yuhang Yang, Linsong Hou, Heming Wei, Hongbo Zhang, Wenjun Zhang, "Two-photon 3D printed fiber-optic Fabry–Perot probe for triaxial contact force detection of guidewire tips," Photonics Res. 12, 2474 (2024)

[2].Heming Wei, Zhangli Wu, Kexuan Sun, Haiyan Zhang, Chen Wang, Kemin Wang, Tian Yang, Fufei Pang, Xiaobei Zhang, Tingyun Wang, Sridhar Krishnaswamy, "Two-photon 3D printed spring-based Fabry–Pérot cavity resonator for acoustic wave detection and imaging," Photonics Res. 11, 780 (2023)