浙江
上海大学科研团队近日研发出一种完全由二氧化硅光纤制成的超细麦克风，其直径细如发丝，却能够探测远超人耳听觉上限的大范围超声信号，并可在高达1000摄氏度的环境中持续工作。 由于整个器件采用玻璃光学结构而非传统电子元件，它在极端高温和强电磁干扰环境下依然能保持性能稳定，被视为在极端工况下突破传统传感器局限的重要尝试。
研究团队表示，这种全光纤麦克风的一个长期目标应用，是被直接置入高压变压器内部，用来“倾听”设备早期故障的微弱声学信号，在问题演变为大面积停电或爆炸事故之前发出预警。 论文作者之一、来自上海大学的张晓北指出，传统电子类传感器在高温环境下容易失效，且在强电磁场中极易受到干扰，而新型光纤麦克风既可在危险环境中生存，又足够灵敏，能够捕捉设备故障萌芽阶段的细微信号。
研究成果已发表在 Optica 出版集团旗下期刊《Optics Express》上。 这款麦克风可响应从40千赫兹到1.6兆赫兹的频率范围，远超人耳可听范围，整个传感结构被“封装”在直径仅125微米的单模光纤内部，无需像传统麦克风那样依赖体积庞大的外部壳体。 研究人员表示，全光纤设计使其可直接部署在空间受限、环境恶劣的工业设备内部，实现实时监测。
在具体应用设想上，团队本次重点针对高压变压器中的局部放电信号监测展开研究。 局部放电是一类微小的电气故障，可在大规模故障爆发之前充当“先兆”，但由于变压器内部高温且电磁噪声强烈，传统传感器难以在设备运行状态下准确捕捉这些信号。 为解决这一难题，研究人员利用光纤中的光弹效应——即机械振动引发光在光纤中折射率微小变化的现象——构建了一套完全基于光的声学探测方案。
这款光纤麦克风内部集成了一套精巧的传感结构，包括一个对振动敏感的微型膜片以及悬浮于单模光纤内部的玻璃微梁，两者共同构成一个高精度的法布里–珀罗干涉仪结构，用来测量极其微小的振动。 要在如此狭小的光纤内部制造出悬浮结构，研究团队采用了皮秒激光诱导化学刻蚀工艺，这一先进制造技术可在固体材料内部精确加工微纳尺度结构。
为了验证在极端环境中的性能，研究人员将该麦克风在1000摄氏度的炉内持续测试100分钟，结果显示其结构与信号传输均保持稳定。 实验还表明，该传感器在40千赫兹至1.6兆赫兹的超宽频段范围内具备可靠声学响应，并能够在空气和水下等不同介质中正常工作，显示出在多种应用场景下的适应能力。
张晓北指出，整个干涉结构被一体化集成在“发丝般纤细”的光纤中，使得这种自封装的单体设计无需额外保护壳体，即可在高温、空间受限的环境中直接部署。 团队展望，这种麦克风有望用于高压电力设备状态在线监测、工业无损检测、医学成像、航空航天发动机监控以及自然灾害预警等领域，为关键基础设施提供更早、更精准的声学诊断手段。
展望未来，研究团队计划在该装置中进一步集成声学功能模块，以继续提升灵敏度极限。 他们还计划利用多激光复合增材与减材制造平台，将二氧化硅3D打印与超快激光微加工结合，打造更为坚固的一体化全硅封装结构，从而进一步提升麦克风的机械强度与传感性能。 研究人员表示，这将为其在真实工业环境中、尤其是在运行中的电力变压器内部长期安装与应用铺平道路，使这类光纤麦克风真正成为极端环境下可靠的“听诊器”。
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