أجهزة استشعار بصرية-ميكانيكية متكاملة للموجات فوق الصوتية بحساسية على مستوى نانو باسكال

الاستماع إلى الأصوات الخافتة

الموجات فوق الصوتية تشكّل الأساس لأمور تتراوح بين فحوصات ما قبل الولادة وفحص الشقوق في أجنحة الطائرات والاستماع إلى إشارات في المحيط. ومع ذلك، تكافح أجهزة الاستشعار الصغيرة الحالية لالتقاط الأصوات الضعيفة جدًا، لا سيما عندما يجب أن تكون الأجهزة صغيرة ورخيصة ومكدسة بكثافة على رقاقة. تقدّم هذه الورقة نوعًا جديدًا من أجهزة استشعار الموجات فوق الصوتية القائمة على الضوء بحساسية تكفي لاكتشاف تغيّرات الضغط الأصغر من جزء من مليار من ضغط الهواء المحيط بنا، ما يفتح أبوابًا لصور طبية أوضح ومراقبة بيئية أفضل وفحوص صناعية أكثر دقة.

طريقة جديدة للسمع بالضوء

قلب الجهاز هو غشاء رقيق شبيه بالزجاج يطفو فوق رقاقة سيليكون، ويحوي بداخله دليلًا بصريًا حلقيًا ميكروسكوبيًا. عندما تضرب أمواج فوق صوتية الغشاء، فإنها تُحدث فيه انحناءً طفيفًا للغاية. هذا التحرك يغيّر حجم الحلقة الدقيقة، مما يبدّل بدوره كيفية دوران الضوء داخلها. من خلال تسليط ليزر ثابت على الحلقة ومراقبة تذبذب شدة الضوء النافذ، يحول النظام الاهتزازات الصوتية غير المرئية إلى إشارة ضوئية يمكن قياسها بدقة عالية.

تعزيز الحساسية عبر الرنين اللطيف

لدفع الحساسية إلى أقصى الحدود، استغل الباحثون تأثير الرنين، نفس الظاهرة التي تجعل أرجوحة الملعب تتحرك أعلى عند دفعتها بإيقاع مناسب. للغشاء المعلق أوضاع اهتزازية طبيعية، وعندما تصل موجة فوق صوتية عند إحدى هذه الترددات الخاصة، يتضخّم حركة الغشاء بشكل كبير. في الوقت نفسه، يدور الضوء داخل الحلقة عدة مرات، ما يجعل الاستجابة البصرية للتغيرات الطفيفة شديدة الحدة. معًا، تعزز هذهالرنات الميكانيكية والبصرية قوة تفاعل الجهاز مع موجات الصوت الضعيفة بشكل كبير، سواء في الهواء أو في الماء.

أداء قياسي في الهواء والماء

أتاح التصميم الدقيق وتصنيع على مستوى الرقاقة للفريق ضبط حجم الغشاء ونصف قطر الحلقة وسمك الطبقات بحيث يكون الجهاز مرنًا ميكانيكيًا ونظيفًا بصريًا. تحقق أجهزة الاستشعار الناتجة، المصنوعة باستخدام أدوات تصنيع الرقائق القياسية، مستويات ضغط معادلة للضوضاء قياسية منخفضة: نحو 218 نانو-باسكال لكل جذر هرتز في الهواء و9.6 نانو-باسكال لكل جذر هرتز في الماء. ببساطة، يمكنها الكشف عن تموجات ضغط دقيقة بعيدة تحت ما كان بإمكان أجهزة الاستشعار الضوئية المتكاملة السابقة رؤيته، مع الاحتفاظ بصغر الحجم والمتانة والملاءمة للإنتاج بالجملة.

من الغازات الشحيحة إلى الأشكال المخفية تحت الماء

لإظهار ما تتيحه هذه الحساسية، استخدم المؤلفون المستشعر في مهمتين مختلفتين تمامًا. أولًا، وضعوه في خلية غاز واستخدموا ليزرًا معدلًا لتسخين وتبريد جزيئات الأسيتيلين، مما دفعها لتوليد موجات صوتية دقيقة عبر التأثير الفوتوأكوستيكي. التقط المستشعر هذه الإشارات الضعيفة بشكل كافٍ لاكتشاف تركيزات الأسيتيلين حتى بضع أجزاء في المليون ولإعادة إنتاج طيف امتصاص الغاز بدقة عالية. بعد ذلك، غمروا الجهاز في الماء واستخدموه لتصوير أخدود مملوء بالهواء مخفي في كتلة أكريليك. حتى عندما كان ضغط الموجات فوق الصوتية المستخدم أضعف بآلاف المرات من ذلك المستخدم لهيدروفون تجاري، أنتج المستشعر الجديد تباينًا أوضح ودقة على مقياس المليمتر، كاشفًا شكل الميزة المدفونة.

ماذا يعني هذا لتقنيات المستقبل

بدمج حساسية متطرفة مع تكامل على مستوى الرقاقة، تشير هذه الدراسة إلى مستقبل من كاشفات الموجات فوق الصوتية التي يمكن ترتيبها في مصفوفات كثيفة ودمجها مع ليزرات وأجهزة كشف وإلكترونيات على الرقاقة. قد تُبنى مثل هذه الأنظمة يومًا ما في رقع طبية قابلة للارتداء، وصلات اتصالات تحت مائية مدمجة، أو أدوات فحص محمولة ترى تفاصيل دقيقة دون الحاجة إلى نبضات صوتية قوية. في الجوهر، تُظهر الدراسة أن استخدام الضوء للسمع يمكّننا من التقاط همسات أضعف بكثير في الهواء والماء من أي وقت مضى، مما قد يغير طرق الاستشعار والتصوير للهياكل الخفية من حولنا.

الاستشهاد: Cao, X., Yang, H., Wang, M. et al. Integrated optomechanical ultrasonic sensors with nano-Pascal-level sensitivity. Light Sci Appl 15, 171 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02238-0

الكلمات المفتاحية: استشعار الموجات فوق الصوتية, البصريات الميكانيكية, مُرَكِّز حلقي دقيق, مطيافية فوتوأكوستيكية, التصوير تحت الماء