RU2771592C1 - Miniature optical microphone with resonator on whispering gallery modes - Google Patents

Miniature optical microphone with resonator on whispering gallery modes Download PDF

Info

Publication number
RU2771592C1
RU2771592C1 RU2021121241A RU2021121241A RU2771592C1 RU 2771592 C1 RU2771592 C1 RU 2771592C1 RU 2021121241 A RU2021121241 A RU 2021121241A RU 2021121241 A RU2021121241 A RU 2021121241A RU 2771592 C1 RU2771592 C1 RU 2771592C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
radiation
optical
membrane
resonator
whispering gallery
Prior art date
Application number
RU2021121241A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Игорь Владиленович Минин
Олег Владиленович Минин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный университет геосистем и технологий»
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный университет геосистем и технологий» filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный университет геосистем и технологий»
Priority to RU2021121241A priority Critical patent/RU2771592C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2771592C1 publication Critical patent/RU2771592C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R23/00Transducers other than those covered by groups H04R9/00 - H04R21/00
    • H04R23/008Transducers other than those covered by groups H04R9/00 - H04R21/00 using optical signals for detecting or generating sound

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: acoustics.SUBSTANCE: invention relates to acoustics, in particular to acoustic signal receivers. The optical microphone contains a movable membrane with a mirror coating on the outside and an optical unit for measuring the deflection of the membrane, including a source of monochromatic coherent optical radiation, a radiation detector. The optical unit for measuring the deflection of the membrane consists of a resonator of the whispering gallery modes, made in the form of a spherical dielectric particle with a truncated vertex, measuring at least the wavelength of the radiation used and facing the truncated vertex to the mirror surface of a movable membrane installed with a gap to it and irradiated by electromagnetic radiation from the reverse side of the truncated surface of a spherical particle with a wavelength of radiation exciting whispering gallery modes in the resonator. Quantum emitters, such as a quantum dot, are embedded in the material of the whispering gallery mode resonator. In addition, nanoparticles with a fluorescent substance are embedded in the material of the whispering gallery mode resonator.EFFECT: creation of a miniature optical microphone with high sensitivity.3 cl, 1 dwg

Description

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.The invention relates to acoustics and can be used in the design of miniature receivers of acoustic signals (microphones, hydrophones, vibraphones, phonendoscopes, etc.), in pressure sensors, optical-acoustic receivers.

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.An optoelectronic pressure sensor is known (RF patent 2006016), containing a mirror membrane and an optical unit for measuring the amount of membrane deflection, containing a radiation source and a first photodetector, interconnected using an optical channel consisting of a condenser, a raster, a lens, two mirrors and a second photodetector, in this case, the photodetectors are turned on towards each other.

Работа оптического канала основана на расфокусировке светового потока при прогибах зеркальной мембраны и изменении части светового потока, поступающего на фотоприемник.The operation of the optical channel is based on the defocusing of the light flux during deflection of the mirror membrane and a change in part of the light flux entering the photodetector.

Недостатки указанного устройства являются большие габариты, низкая чувствительность устройства.The disadvantages of this device are large dimensions, low sensitivity of the device.

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.Known optoelectronic pressure sensor (Udalov N.P. and others - Devices and control systems, 1981, No. 5, pp. 21-22), containing a source and receiver of radiation connected by optical fibers with an optical channel made in the form of a triangular prism, a membrane , installed with a gap relative to the prism, a signal extraction unit connected to the receiver.

Недостатками указанного устройства заключаются в больших габаритах и низкой чувствительности.The disadvantages of this device are large dimensions and low sensitivity.

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, IRS2 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. A miniature optical-acoustic receiver with a capacitive displacement detector is known [Chvrier 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, IRS2 Proceedings, r. 109-114], consisting of a chamber with an inlet window, a movable membrane fixed around the perimeter on the body at the outlet end of the chamber, and a capacitive displacement detector.

Недостатком указанного устройства является его низкая чувствительность.The disadvantage of this device is its low sensitivity.

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. A device of an optical microphone as part of an optical-acoustic receiver (OAP) is known (RF patent 2169911). The device contains a chamber having an entrance window, an absorbing film and a mirror membrane and an optical unit for measuring the membrane deflection value, consisting of an optical microphone. An optical microphone includes a radiation source installed in series, a main condenser, a transparent raster and a lens, the transparent raster being installed in the focal plane of the lens, as well as a beam-splitting element installed along the optical beams in front of the main condenser and photodetector.

Недостатками данного устройства являются большие габариты, сложность конструкции и использования, низкая чувствительность.The disadvantages of this device are large dimensions, complexity of design and use, low sensitivity.

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. The subsequent development of the optical-acoustic receiver was aimed at increasing the sensitivity of the receiver, expanding the recorded wavelength range, and generally reducing the noise level of the receiver. One of the solutions is the OAP, described in the publication "Modern optical-acoustic radiation receivers", Optical Journal, No. 5, 1994, p. 5, 6. In said PDA, which also contains a chamber in which electromagnetic radiation is absorbed and pressure fluctuations occur, absorption occurs non-selectively in a wide region from 1 to 3000 μm. Pressure pulsations cause vibrations of the mirror membrane, which is one of the walls of the receiving chamber. Membrane oscillations are recorded in the optical unit for measuring the membrane deflection using an optical microphone, which consists of an auxiliary radiation source, a condenser, a transparent raster, a mirror, and a photodetector. An image of the auxiliary radiation source is projected through the raster onto the membrane by a condenser, which is then directed by a mirror through the diaphragm to the photodetector through the second half of the raster and the condenser. This design improves the sensitivity of the receiver.

Недостатками данного устройства являются большие габариты, сложность и недостаточная чувствительность.The disadvantages of this device are large dimensions, complexity and lack of sensitivity.

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.Known optical microphone according to A.S. USSR N 627599 containing a housing, a membrane fixed along the perimeter on the housing, and a monochromatic light source, a focusing lens, a beam-splitting cube, a mirror, a lens and a photodetector installed inside the housing. The microphone works as follows. The acoustic wave excites mechanical oscillations of the membrane, which are converted into an electrical signal by means of an optoelectronic device. A beam of light emitted by a monochromatic light source is focused by a lens and split into two beams by a beam-splitting cube. One of the split beams is reflected from a fixed mirror, the other from the membrane. Reflected beams of light create an interference pattern that changes depending on the position of the membrane, which is expanded with a lens and projected onto the input window of the photodetector.

Недостатками устройства являются большие габариты, сложность и низкая чувствительность.The disadvantages of the device are large dimensions, complexity and low sensitivity.

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. Known optical microphone according to the patent of the Russian Federation 1553936, consisting of a plane-parallel optically transparent plate with reflective surfaces, cantilevered in the housing with a touch of the free end of the membrane. The membrane, bending under the action of an acoustic wave, changes the inclination of the plate in a parallel light flow and changes the intensity of the light transmitted through the plates.

Недостатками устройства являются его большие габариты, сложность, и низкая чувствительность.The disadvantages of the device are its large size, complexity, and low sensitivity.

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. An optical microphone is known, patent RF 2047944, containing a housing, a membrane fixed around the perimeter of the housing, an optical unit for measuring the magnitude of the deflection of the membrane, consisting of a source of monochromatic radiation, a focusing lens, a photodetector, and longitudinal grooves are made on the inner surface of the membrane in a spiral, in which fiber optic light guide. The grooves are covered with foil. The source of monochromatic radiation and the focusing lens are installed opposite the first end of the fiber optic light guide, and the photodetector is located opposite the second end of the fiber optic light guide.

Недостатками данного устройства являются сложность конструкции и низкая чувствительность.The disadvantages of this device are the complexity of the design and low sensitivity.

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 Known optical microphone according to RF patent 2273115, containing a housing, a membrane fixed around the perimeter of the housing, a radiation source, a fiber optic light guide, a focusing lens and a photodetector. The optical microphone is equipped with a guide lens, a polarizer installed behind it, an analyzer installed in front of the focusing lens, a photomultiplier and a recorder, while the analyzer is connected through a rod to the inner surface of the membrane with the possibility of rotation using a spring-lever mechanism, and the radiation source is optically connected through a fiber-optic optical fiber guide

линзу, поляризатор, анализатор, фокусирующую линзу, фотоприемник, фотоумножитель с регистратором.lens, polarizer, analyzer, focusing lens, photodetector, photomultiplier with recorder.

Недостатками данного устройства являются сложность конструкции, большие габариты и низкая чувствительность. The disadvantages of this device are the complexity of the design, large dimensions and low sensitivity.

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.].In addition, it is known that a decrease in the diameter of the flexible membrane leads to a significant decrease in the sensitivity of the receiving device [I. S. Gibin, P. E. Kotlyar. Matrix optical-acoustic receiver of THz radiation by nanooptoelectromechanical elements based on perforated SLG graphene // Applied Physics, 2020, no. 3, p. 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.As a prototype, an optical microphone device according to the Eurasian patent EA 011914 B1 20090630 was chosen, containing a movable membrane with a mirror coating on the outside and an optical unit for measuring the amount of membrane deflection, including an auxiliary monochromatic coherent optical radiation source, a radiation detector and an optical system configured to provide passage of the auxiliary radiation from the specified source to the mirror membrane, return passage of the reflected auxiliary radiation to the radiation detector.

Недостатком данного устройства являются большие габариты и недостаточная чувствительность.The disadvantage of this device are large dimensions and insufficient sensitivity.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, а именно создание миниатюрного оптического микрофона с высокой чувствительностью.The objective of the present invention is to eliminate these disadvantages, namely the creation of a miniature optical microphone with high sensitivity.

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.This task is achieved by the fact that an optical microphone containing a movable membrane with a mirror coating on the outside and an optical unit for measuring the amount of membrane deflection, including a source of monochromatic coherent optical radiation, a radiation detector, is new in that the optical unit for measuring the amount of membrane deflection consists of a resonator whispering gallery mode, made in the form of a spherical dielectric particle with a truncated top or in the form of a truncated circular cylinder, with dimensions not less than the wavelength of the radiation used and the truncated top facing the mirror surface of the movable membrane, installed with a gap to it and irradiated with electromagnetic radiation from the reverse side of the truncated surface of a spherical particle with the emission wavelength of the whispering gallery mode exciting in the resonator. In addition, quantum emitters, such as a quantum dot, are embedded in the material of the whispering gallery mode resonator. In addition, nanoparticles with a fluorescent substance are embedded in the material of the whispering gallery mode resonator.

Авторам не известны технические решения, содержащие сходные отличительные признаки и их использование для заявленной цели - увеличения чувствительности оптического микрофона и уменьшения габаритов устройства.The authors are not aware of technical solutions containing similar distinguishing features and their use for the stated purpose - increasing the sensitivity of the optical microphone and reducing the size of the device.

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]. For the first time, the possibility of creating electromagnetic resonators using whispering gallery modes (WGMs) arising from total internal reflection from the surface of an axially symmetric body was pointed out in 1939 by Robert Richtmyer [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.Known optical sensors that use high-quality natural resonances ("whispering gallery" modes) excited in symmetrical dielectric structures [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)], for example, ring sensors [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).], disc [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)], multi-ring [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).], “bottled” [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)] and spherical WGM microcavities [A.R. Ali, Micro-optical vibrometer/accelerometer using dielectric microspheres // Appl. Opt. 58, 4211-4219 (2019)]. WGM is an optical resonance localized close to the outer edge of the resonator with a high quality factor, i.e. narrow line width.

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. The principle of operation of WGM sensors, as a rule, consists in measuring the transmission of a special optical line (optical fiber or strip) used to excite and receive a signal from the WGM resonator, while scanning the excitation frequency with a tunable laser. Within the WGM circuit, the transmission of the fiber drops sharply, which is an indicator of tuning to resonance. Any mechanical or thermal effect on the resonator changes its characteristics and the operating frequency of the WGM, which is detected using a spectrometer. The magnitude of the spectral shift of the WGM can be used to judge the level of mechanical load on the resonator.

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.The disadvantage of optical sensors based on the WGM resonator is the need to provide mechanical contact between the sensor (membrane) and the WGM resonator that is sensitive to external load and limits their scope, as well as the durability of the structure.

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]. The radiative quality factor of the WGM resonator grows exponentially with increasing ratio of the resonator radius to the wavelength and therefore does not prevent the achievement of arbitrarily high values of the quality factor [A.N. Oraevsky. Whispering gallery waves // Quantum Electronics 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.].Whispering gallery resonators are made in the form of a sphere, cylinder, disk or polygon and in the optical wavelength range can have characteristic dimensions of about a few microns [A. I. Sidorov, "Fundamentals of Photonics: Physical Principles and Methods for Converting Optical Signals in Photonics Devices". Tutorial. St. Petersburg: FGBOU VPO "SPb NRU ITMO", 2014 - 148 pages].

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.WGM excitation is possible by near-surface waves of grazing incidence on the surface of a ball - a spherical WGM resonator [A.N. Oraevsky. Whispering gallery waves // Quantum Electronics 32 (5), 2002, 377-400]. Such waves can be generated, for example, using a total internal reflection prism, a circular or rectangular dielectric waveguide, or a beveled fiber waveguide. Surface fields in a total internal reflection prism and waveguides decrease exponentially with distance from the surface of the prism (waveguide). By changing the distance from the prism (waveguide) to the surface of the ball, one can control the degree of excitation by whispering gallery modes.

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.At the same time, WGM excitation in bulk microstructures can be carried out not only by damped electromagnetic fields using a conical fiber or prism, but also when the microparticle is illuminated with direct radiation [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)]. Despite the lower excitation efficiency, this method has undeniable advantages in that it does not require precise positioning of the element that transmits optical excitation and the WGM resonator. It is important that the efficiency of WGM excitation in a microparticle by direct radiation can be significantly increased using various methods, for example, side illumination with a structured focused beam [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)], etc.

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 ].WGM resonators are known in the form of a truncated sphere or cylinder (the so-called Janus particles). In such a resonator, sharp resonances are provided depending on the depth of the remote segment of the sphere or cylinder. These resonances are associated with excited whispering gallery waves caused by truncation. This is a new field localization mechanism. Optimizing this effect for cylinders makes it possible to achieve super-resolution in line thickness and has the maximum line emission intensity [Igor V. Minin, Oleg V, Minin, Yinghui Cao, Bing Yan, Zengbo Wang, Boris Luk'yanchuk. Photonc lenses with whispering gallery waves at Janus particles // preprint, https://arxiv.org/abs/2012.09489].

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На Фиг. 1 изображено схематично устройство. On FIG. 1 schematically shows the device.

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.Designations: 1 - source of monochromatic coherent radiation, 2 - radiation irradiating the WGM resonator, 3 - WGM resonator in the form of a spherical dielectric particle with a truncated top, 4 - transmitted and reflected radiation from a mirror membrane, 5 - flexible membrane with a mirror coating on the outside, 6 – radiation detector.

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.The operation of the device is as follows. As a source of monochromatic coherent optical radiation 1 can be, for example, a laser. The electromagnetic radiation 2 of the source 1 irradiates the WGM resonator 3 and excites the whispering gallery modes in it, the radiation transmitted through the resonator 3 is reflected from the flexible membrane with a mirror coating on the outer side 5. one of the eigenmodes of the resonator. In this case, the spatial structure of the internal field is rearranged, leading to a sharp increase in the intensity and localization of the field near the surface of the WGM 3 dielectric resonator with a truncated top, with the formation of ring periodic structures in the form of standing waves. The WGM resonator 3 has a truncated apex facing the mirror surface of the movable membrane 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.As a result of the interference of the resonance modes of the "whispering gallery" (WGM), excited in a dielectric spherical microparticle with a truncated top (or a cylinder with a truncated top) 3 by direct and reflected from the flexible mirror 5 by optical radiation. In this case, WGM interference can be constructive or destructive, depending on the phase difference of the exciting WGM waves, which will lead to a change in the amplitude of the resulting resonant field in the particle. In turn, the phase difference between the direct and reflected waves depends on the amount of deflection of the mirror membrane 5, which occurs under the action of the excess pressure of the analyte located on the reverse side of the mirror of the device.

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.When phases are synchronized between paired WGMs, the resulting eigenmode is excited with a multiple of greater intensity than in the classical situation of unidirectional illumination of a particle by a plane wave or a wide beam.

Фотодетектор 6 (фотодиод, ФЭУ) преобразует оптический сигнал интенсивности моды шепчущей галереи в пропорциональный ему по амплитуде электрический сигнал. Photodetector 6 (photodiode, PMT) converts the optical signal of the intensity of the whispering gallery mode into an electrical signal proportional to it in amplitude.

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.When the whispering gallery modes are excited in resonator 3, near-surface fields arise on its surface and, through damped oscillations, interact with the membrane from the mirror surface 5, reflecting from it and changing the intensity of the modes in a spherical dielectric resonator with a truncated top 4. The WGM resonator 3 is installed with a gap from the mirror the surface of the movable membrane 5, which determines the maximum possible displacement of the flexible membrane. By measuring the intensity of the mode with a radiation detector 6, one can judge the amplitude of the membrane oscillations and, consequently, the amplitude of the acoustic wave incident on the membrane or the pressure that causes the membrane to shift.

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.Thus, the device of a miniature optical microphone based on the effect of WGM excitation in a dielectric microsphere with a truncated top and with dimensions not less than the radiation wavelength (mesowave particle). A feature of the proposed device is the method of excitation of high-quality natural resonances (direct illumination) and the non-contact type of placement of a pressure-sensitive element - a flexible mirror membrane. This simplifies the device in comparison with WGM excitation by near-surface grazing-incidence waves. In this case, due to the presence of optical reflection at the membrane, the WGM sphere with a truncated apex is double excited, first by direct and then by reflected radiation. The optical intensity of the resulting WGM field is determined by the result of the interference of the direct and reflected WGM and depends on the position of the flexible loaded membrane.

Микросфера с усеченной вершиной или круговой усеченный цилиндр может быть выполнена из диэлектрического материала прозрачного для освещающего излучения.A microsphere with a truncated top or a circular truncated cylinder can be made of a dielectric material that is transparent to illuminating radiation.

Зеркальное покрытие гибкой мембраны с внешней стороны может быть выполнена из металла, например, золота или диэлектрика с высоким показателем преломления в необходимом диапазоне излучения.The mirror coating of the flexible membrane on the outside can be made of a metal, for example, gold or a dielectric with a high refractive index in the required radiation range.

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.If inside the resonator, in the volume occupied by the resonant mode, we place quantum emitters, such as a quantum dot [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)], spaser [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)], or nanoparticles with a fluorescent substance [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)], then the intensity of their glow, received by the photodetector, will also vary depending on the deflection of the sensitive mirror membrane.

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.The high quality factor of the whispering gallery modes makes it possible to create, on the basis of resonators, a WGM connected to a source of monochomatic coherent radiation for measuring the deflection (displacement) of a high-sensitivity membrane.

Claims (3)

1. Оптический микрофон, содержащий подвижную мембрану с зеркальным покрытием с внешней стороны и оптический блок измерения величины прогиба мембраны, включающий источник монохроматического когерентного оптического излучения, детектор излучения, отличающийся тем, 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. 1. An optical microphone containing a movable membrane with a mirror coating on the outside and an optical unit for measuring the amount of membrane deflection, including a source of monochromatic coherent optical radiation, a radiation detector, characterized in that the optical unit for measuring the amount of membrane deflection consists of a whispering gallery mode resonator made in the form of a spherical dielectric particle with a truncated apex or in the form of a truncated circular cylinder, with dimensions not less than the wavelength of the radiation used and the truncated apex facing the mirror surface of the movable membrane, installed with a gap to it and irradiated by electromagnetic radiation from the reverse side of the truncated surface of the spherical particle with length radiation waves of the whispering gallery mode exciting in the resonator. 2. Оптический микрофон по п. 1, отличающийся тем, что в материал резонатора мод шепчущей галереи внедрены квантовые излучатели типа квантовой точки. 2. An optical microphone according to claim 1, characterized in that quantum emitters of the quantum dot type are embedded in the material of the whispering gallery mode resonator. 3. Оптический микрофон по п. 1, отличающийся тем, что в материал резонатора мод шепчущей галереи внедрены наночастицы с флуоресцирующим веществом.3. An optical microphone according to claim 1, characterized in that nanoparticles with a fluorescent substance are embedded in the material of the whispering gallery mode resonator.
RU2021121241A 2021-07-19 2021-07-19 Miniature optical microphone with resonator on whispering gallery modes RU2771592C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021121241A RU2771592C1 (en) 2021-07-19 2021-07-19 Miniature optical microphone with resonator on whispering gallery modes

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021121241A RU2771592C1 (en) 2021-07-19 2021-07-19 Miniature optical microphone with resonator on whispering gallery modes

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2771592C1 true RU2771592C1 (en) 2022-05-06

Family

ID=81458949

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021121241A RU2771592C1 (en) 2021-07-19 2021-07-19 Miniature optical microphone with resonator on whispering gallery modes

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2771592C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1340049A2 (en) * 2000-11-28 2003-09-03 Rosemount Inc. Arrangement for measuring physical parameters with an optical sensor
US20050238078A1 (en) * 2004-04-23 2005-10-27 Pipino Andrew C Optical resonator produced by optical contacting to join optical elements and use thereof, for example, for chemical and biochemical detection in liquids
WO2007002756A2 (en) * 2005-06-27 2007-01-04 The Regents Of The University Of California Laser tweezer actuated micro-photonic devices
US10578594B2 (en) * 2016-12-27 2020-03-03 The Penn State Research Foundation Biochemical sensing using microbubbles on a chip using whispering gallery mode resonance

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1340049A2 (en) * 2000-11-28 2003-09-03 Rosemount Inc. Arrangement for measuring physical parameters with an optical sensor
US20050238078A1 (en) * 2004-04-23 2005-10-27 Pipino Andrew C Optical resonator produced by optical contacting to join optical elements and use thereof, for example, for chemical and biochemical detection in liquids
WO2007002756A2 (en) * 2005-06-27 2007-01-04 The Regents Of The University Of California Laser tweezer actuated micro-photonic devices
US10578594B2 (en) * 2016-12-27 2020-03-03 The Penn State Research Foundation Biochemical sensing using microbubbles on a chip using whispering gallery mode resonance

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Yu.E. Geints, I.V. Minin and O.V. Minin Coupled WGMs in a dielectric microsphere: proof-ofconcept of optical pressure microsensor // Preprints, 16.06.2021. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6016197A (en) Compact, all-optical spectrum analyzer for chemical and biological fiber optic sensors
US8195014B2 (en) Optical chemical detector and method
US4758087A (en) Fiber optic transducer
CN107238575B (en) Photoacoustic microscopic system based on perfect vortex optical excitation SPR
JP2021517243A (en) A sensor having a waveguide having an optical resonance part, and a sensing method
KR20070100325A (en) Cavity ring-down detection of surface plasmon resonance in an optical fiber resonator
JPH0921698A (en) Optical sensor
US20120012739A1 (en) Optical microresonator system
CA2921526C (en) Phase-front-modulation sensor and method of fabrication
JP2008216252A (en) Apparatus and method for resonant chemical and biological sensing
CN113252572A (en) Optical fiber tip type photoacoustic gas sensing system and method
JPH1151843A (en) Fiber detector for detecting scattering light or fluorescent light of suspension
KR20220063246A (en) Ultrasonic sensing and imaging based on whispering gallery mode (WGM) microresonators
JP2008209415A (en) Apparatus and method for biological sensing
US20050063633A1 (en) Optical waveguide monitoring
US20110295511A1 (en) Apparatus and method for detecting the presence of an agent
Thompson Fluorescence-based fiber-optic sensors
CN105911036B (en) Miniaturized fluorescence spectrum detection device based on hollow bragg fiber
JP2009025305A (en) Apparatus and method for detecting chemical, biological and radiological agents
Geints et al. Proof-of-concept of a miniature pressure sensor based on coupled optical WGMs excited in a dielectric microsphere
RU2771592C1 (en) Miniature optical microphone with resonator on whispering gallery modes
US5812255A (en) Process and device for determining the refractive index of different mediums
Wei et al. Direct laser writing of polymer micro-ring resonator ultrasonic sensors
JPS6011103A (en) Remote measuring device
František et al. Current trends in photonic sensors