近日，我院在悬臂梁式光学传声器方面的研究取得进展，相关成果以“Geometry optimization of cantilever-based optical microphones”为题发表于国际知名物理类期刊《OpticsLetters》。论文第一作者为我院20级博士研究生田申，通讯作者为李磊副教授和单崇新教授。郑州大学物理学院为论文第一单位。

传声器是一种将声能转换为电能的重要换能装置，被广泛应用于语音识别、医疗成像、泄漏检测等领域。传统的电子式传声器灵敏度低、电噪声高、易受电磁场干扰。新兴的光学传声器基于“声-光-电”传感机制，因具有高灵敏、小尺寸、易加工的优势被广泛关注。在之前的工作中（Opt. Express,2023,31,21796-21805），研究团队成功设计出基于镂空悬臂梁的光学传声器，其灵敏度（91.4 mV/Pa）明显高于商用电子式传声器（47.8 mV/Pa，丹麦B&K）。然而，进一步优化光学传声器性能时面临两个难题：一是将悬臂梁尺寸降至亚微米级以下会限制F-P腔的光约束和反射；二是通过尺寸优化提高悬臂梁灵敏度会显著降低其谐振频率，影响传声器的响应带宽。

针对以上问题，研究团队提出了一种悬臂梁几何优化框架，实现了一种基于鼓槌型微悬臂梁的高灵敏光学传声器，校正了因灵敏度提高导致的带宽下降问题。一方面，动力学建模表明，降低悬臂梁腿部的等效弹簧常量增加了强迫振动幅度，提高了传声器灵敏度；减少悬臂梁头部的等效质量提高了一阶谐振频率，优化了传声器响应带宽。另一方面，光学实验表明，鼓槌型头部可提供充足反射光强，干涉条纹对比度在1540 nm波长附近达到5.4 - 6 dB。此外，声学实验表明，光学传声器灵敏度达到302.8 mV/Pa，为普通传声器的5 - 10倍；鼓槌型微悬臂梁谐振频率校正至2028 Hz，超过了普通悬臂梁理论值（1950 Hz）。该工作彰显了几何优化技术在提升光学传声器性能方面的潜力，加深了对悬臂梁在多物理场中能量转换效率的认识，对未来传声器设计和工业应用具有重要借鉴意义。

该工作得到了国家自然科学基金委重大科研仪器研制项目、郑州市协同创新重大专项等项目的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1364/OL.519135