研究背景

高靈敏磁傳感器是現(xiàn)代測量技術(shù)的核心，在生物醫(yī)學(xué)（心磁、腦磁探測）、工業(yè)無損檢測、礦產(chǎn)資源勘探乃至電力系統(tǒng)安全監(jiān)控等領(lǐng)域都扮演著不可替代的角色。然而，傳統(tǒng)的高精度磁傳感器，如超導(dǎo)量子干涉器件（SQUID），雖擁有極高的靈敏度，卻嚴(yán)重依賴低溫環(huán)境，系統(tǒng)龐大、成本高昂，極大地限制了其在便攜式、植入式及復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用。

如何在室溫下實(shí)現(xiàn)兼具高靈敏度、快速響應(yīng)、微型化與強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性的磁傳感，成為該領(lǐng)域亟待突破的瓶頸。

創(chuàng)新研究

針對這一挑戰(zhàn)，來自北京大學(xué)長三角光電科學(xué)研究院、清華大學(xué)等單位的張方醒、孫伽略研究員團(tuán)隊(duì)，提出了一種基于回音壁模式（WGM）光學(xué)微腔的全新解決方案。他們巧妙地將光學(xué)微腔與磁致伸縮材料相結(jié)合，設(shè)計(jì)并制備出一款完全封裝、探針式的高性能磁傳感器。該器件不僅實(shí)現(xiàn)了對直流和交流磁場的超高靈敏探測，更首次將WGM微腔應(yīng)用于空間磁場分布的掃描探測（磁場成像），為室溫高精度磁測量開辟了一條新路徑。

相關(guān)成果以“High-Sensitive Magnetic Field Sensing and Imaging with Optical Microcavity Probe”為題發(fā)表于 《ACS Photonics》 期刊。

研究內(nèi)容與亮點(diǎn)

1.從“脆弱”到“穩(wěn)固”的探針式封裝

團(tuán)隊(duì)突破性地在圓柱形超磁致伸縮材料Terfenol-D表面，利用自組裝技術(shù)直接構(gòu)建了一個(gè)環(huán)氧-氧化物光學(xué)微瓶腔。這一設(shè)計(jì)將磁致伸縮應(yīng)變與光學(xué)模式變化直接耦合，實(shí)現(xiàn)了力-光-磁的精密轉(zhuǎn)換。通過獨(dú)特的低折射率聚合物封裝技術(shù)，他們將易受環(huán)境干擾的微腔與錐形光纖耦合結(jié)構(gòu)，穩(wěn)固地封裝于石英毛細(xì)管內(nèi)，將原本“嬌貴”的微腔器件，打造為一款“即插即用”的堅(jiān)固探針（圖1），為其實(shí)用化掃清了關(guān)鍵障礙。這種完全封裝、高魯棒性、極微小尺寸的探針設(shè)計(jì)，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)三維空間磁場的高精度構(gòu)建奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖1：探針式微腔磁傳感器結(jié)構(gòu)與原理(a) 器件結(jié)構(gòu)示意圖；(b) 不同磁場下的形變；(c-d) 弱/強(qiáng)磁場下的兩種探測機(jī)制。

2. 高速響應(yīng)（μs）與納特級靈敏度

在極小的探針尺寸下實(shí)現(xiàn)超過10?的品質(zhì)因子（Q），為高精度探測奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；同時(shí)，探針的磁場響應(yīng)時(shí)間達(dá)到微秒級（上升沿66 μs，下降沿80 μs），能夠捕捉瞬息萬變的磁場信號，并可檢測從直流到19 MHz的寬頻磁場。在125 kHz交流磁場下，峰值靈敏度高達(dá)25.2 nT/Hz1/2，可媲美甚至超越諸多室溫商用磁傳感器。此外，利用磁場還可實(shí)現(xiàn)高達(dá)~50 GHz的諧振模式超寬范圍自掃描，極大簡化了對可調(diào)諧激光器的依賴。

3. 首次利用WGM微腔探針實(shí)現(xiàn)空間磁場探測建模

憑借探針的高靈敏度和掃描穩(wěn)定性，研究團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了一套全光學(xué)、非接觸式磁場成像系統(tǒng)（圖2）。通過對電磁吸盤和永磁體表面進(jìn)行一維和二維掃描，他們首次利用WGM微腔探針，精確重構(gòu)出樣品的磁場空間分布圖像。這種精細(xì)的磁場空間分布探測能力，即“磁場成像”，對于磁場基礎(chǔ)研究以及電磁相關(guān)的工程應(yīng)用具有重要的前瞻性意義——它能夠直觀揭示磁場源的微觀結(jié)構(gòu)、材料缺陷、電流分布等關(guān)鍵信息，為電磁兼容分析、無損檢測、磁性材料表征等領(lǐng)域提供了全新的可視化手段。

圖2：磁場成像應(yīng)用(a) 成像系統(tǒng)示意圖；(b-e) 電磁吸盤表面磁場掃描與成像；(f-g) 永磁體磁場成像。

未來展望

這項(xiàng)研究提出了一種高靈敏度、全封裝、探針式WGM微腔磁傳感器，其納特級靈敏度、微秒級響應(yīng)及磁場成像能力的綜合優(yōu)勢，為下一代高性能室溫磁測量技術(shù)提供了極具潛力的解決方案。這項(xiàng)工作標(biāo)志著光學(xué)微腔磁傳感器從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用邁出了關(guān)鍵一步。

未來，通過進(jìn)一步優(yōu)化微腔Q值、縮小探針尺寸、采用更優(yōu)磁致伸縮材料，有望將靈敏度提升至亞皮特級（pT）甚至飛特級（fT）。可以預(yù)見，該技術(shù)將在生物磁成像、芯片無損檢測、智能電網(wǎng)監(jiān)測等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為精密測量領(lǐng)域帶來新的突破。

論文信息：

Jialve Sun, Liaosha Kuang, Tinglan Chen, Zijin Cai, Jian-Fei Liu, Bei-Bei Li, Fangxing Zhang*, Heng Zhou, and Cheng Ma. High-Sensitive Magnetic Field Sensing and Imaging with Optical Microcavity Probe. ACS Photonics (2025).

DOI: 10.1021/acsphotonics.5c02667

審核編輯 黃宇