北京大学长三角光电科学研究院、清华大学：研发WGM光学微腔探针，实现高灵敏磁场传感与成像新突破

研究背景

高灵敏磁传感器是现代测量技术的核心，在生物医学（心磁、脑磁探测）、工业无损检测、矿产资源勘探乃至电力系统安全监控等领域都扮演着不可替代的角色。然而，传统的高精度磁传感器，如超导量子干涉器件（SQUID），虽拥有极高的灵敏度，却严重依赖低温环境，系统庞大、成本高昂，极大地限制了其在便携式、植入式及复杂环境下的应用。

如何在室温下实现兼具高灵敏度、快速响应、微型化与强环境适应性的磁传感，成为该领域亟待突破的瓶颈。

创新研究

针对这一挑战，来自北京大学长三角光电科学研究院、清华大学等单位的张方醒、孙伽略研究员团队，提出了一种基于回音壁模式（WGM）光学微腔的全新解决方案。他们巧妙地将光学微腔与磁致伸缩材料相结合，设计并制备出一款完全封装、探针式的高性能磁传感器。该器件不仅实现了对直流和交流磁场的超高灵敏探测，更首次将WGM微腔应用于空间磁场分布的扫描探测（磁场成像），为室温高精度磁测量开辟了一条新路径。

相关成果以“High-Sensitive Magnetic Field Sensing and Imaging with Optical Microcavity Probe”为题发表于 《ACS Photonics》 期刊。

研究内容与亮点

1.从“脆弱”到“稳固”的探针式封装

团队突破性地在圆柱形超磁致伸缩材料Terfenol-D表面，利用自组装技术直接构建了一个环氧-氧化物光学微瓶腔。这一设计将磁致伸缩应变与光学模式变化直接耦合，实现了力-光-磁的精密转换。通过独特的低折射率聚合物封装技术，他们将易受环境干扰的微腔与锥形光纤耦合结构，稳固地封装于石英毛细管内，将原本“娇贵”的微腔器件，打造为一款“即插即用”的坚固探针（图1），为其实用化扫清了关键障碍。这种完全封装、高鲁棒性、极微小尺寸的探针设计，为后续实现三维空间磁场的高精度构建奠定了坚实基础。

图1：探针式微腔磁传感器结构与原理(a) 器件结构示意图；(b) 不同磁场下的形变；(c-d) 弱/强磁场下的两种探测机制。

2. 高速响应（μs）与纳特级灵敏度

在极小的探针尺寸下实现超过10⁶的品质因子（Q），为高精度探测奠定了坚实基础；同时，探针的磁场响应时间达到微秒级（上升沿66 μs，下降沿80 μs），能够捕捉瞬息万变的磁场信号，并可检测从直流到19 MHz的宽频磁场。在125 kHz交流磁场下，峰值灵敏度高达25.2 nT/Hz¹/²，可媲美甚至超越诸多室温商用磁传感器。此外，利用磁场还可实现高达~50 GHz的谐振模式超宽范围自扫描，极大简化了对可调谐激光器的依赖。

3. 首次利用WGM微腔探针实现空间磁场探测建模

凭借探针的高灵敏度和扫描稳定性，研究团队成功构建了一套全光学、非接触式磁场成像系统（图2）。通过对电磁吸盘和永磁体表面进行一维和二维扫描，他们首次利用WGM微腔探针，精确重构出样品的磁场空间分布图像。这种精细的磁场空间分布探测能力，即“磁场成像”，对于磁场基础研究以及电磁相关的工程应用具有重要的前瞻性意义——它能够直观揭示磁场源的微观结构、材料缺陷、电流分布等关键信息，为电磁兼容分析、无损检测、磁性材料表征等领域提供了全新的可视化手段。

图2：磁场成像应用(a) 成像系统示意图；(b-e) 电磁吸盘表面磁场扫描与成像；(f-g) 永磁体磁场成像。

未来展望

这项研究提出了一种高灵敏度、全封装、探针式WGM微腔磁传感器，其纳特级灵敏度、微秒级响应及磁场成像能力的综合优势，为下一代高性能室温磁测量技术提供了极具潜力的解决方案。这项工作标志着光学微腔磁传感器从实验室走向实际应用迈出了关键一步。

未来，通过进一步优化微腔Q值、缩小探针尺寸、采用更优磁致伸缩材料，有望将灵敏度提升至亚皮特级（pT）甚至飞特级（fT）。可以预见，该技术将在生物磁成像、芯片无损检测、智能电网监测等领域发挥重要作用，为精密测量领域带来新的突破。

论文信息：

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

审核编辑 黄宇