北京大学长三角光电科学研究院与清华大学合作：研发WGM光学微腔探针，实现高灵敏磁场传感与成像突破
高灵敏磁传感器在多个关键领域中发挥着重要作用，涵盖生物医学中的心磁和脑磁探测、工业无损检测、矿产勘探以及电力系统监测等。当前，高性能磁传感器如超导量子干涉器件（SQUID）虽然灵敏度极高，但受限于必须在低温环境下运行，设备体积大、成本高，难以满足便携和植入式应用的需求。
在室温条件下开发兼具高灵敏度、快速响应、微型化和环境适应性强的磁传感器，已成为该领域的重要研究方向。
研究团队提出基于WGM光学微腔的创新解决方案
为应对上述挑战，北京大学长三角光电科学研究院与清华大学合作的研究团队，由张方醒、孙伽略研究员领衔，提出了一种基于回音壁模式（WGM）光学微腔的新方法。研究人员将光学微腔与磁致伸缩材料相结合，成功设计并制备出一种全封装、探针式的高性能磁传感器。
该装置不仅支持对直流和交流磁场的高灵敏探测，还首次实现了WGM微腔在空间磁场分布探测中的应用，标志着在室温下实现高精度磁测量方面取得突破。
相关研究成果以“High-Sensitive Magnetic Field Sensing and Imaging with Optical Microcavity Probe”为题，发表于《ACS Photonics》期刊。
研究内容与技术亮点
1. 从“脆弱”到“稳固”的探针式封装设计
研究团队在超磁致伸缩材料Terfenol-D表面，采用自组装技术构建了一个环氧-氧化物光学微瓶腔，实现了磁致伸缩应变与光学模式变化的直接耦合，完成力-光-磁的精准转换。通过低折射率聚合物封装，将微腔与锥形光纤耦合结构稳定地封装在石英毛细管中，形成一款具备高鲁棒性、微型化的“即插即用”探针。
该设计不仅提升了器件的环境适应性，还为三维磁场的高精度测量提供了结构保障。
2. 微秒级响应与纳特级灵敏度
在探针尺寸极小的前提下，该器件展现出超过10⁶的品质因子（Q值），为高精度探测提供了基础。其磁场响应时间达到微秒级别（上升沿66 μs，下降沿80 μs），能够捕捉快速变化的磁场信号。
该传感器的探测频率覆盖从直流到19 MHz的宽频范围，在125 kHz频率下，灵敏度达到25.2 nT/Hz¹/²，性能可与甚至超越当前主流室温磁传感器。此外，磁场作用下可实现高达约50 GHz的谐振模式宽范围自扫描，大大降低了对可调激光器的依赖。
3. 首次实现WGM微腔的磁场成像应用
依托于高灵敏度和稳定扫描能力，该团队构建了一套全光学、非接触式的磁场成像系统。通过在电磁吸盘和永磁体表面进行一维和二维扫描，首次利用WGM微腔探针准确重建了样品的磁场空间分布图。
该技术为磁场成像提供了新的视角，有助于揭示磁场源的微观结构、材料缺陷和电流分布等关键参数，在电磁兼容分析、无损检测及磁性材料表征等领域具有广泛前景。
研究展望
该研究成果展示了一种高灵敏度、全封装、探针式WGM光学微腔磁传感器，其纳特级灵敏度、微秒级响应以及磁场成像功能，为下一代高性能磁测量系统提供了可行的技术路径。
未来，通过进一步提升微腔Q值、缩小探针尺寸，并采用更高效的磁致伸缩材料，有望实现亚皮特（pT）甚至飞特（fT）级别的灵敏度。该技术有望广泛应用于生物磁成像、芯片无损检测、智能电网监测等领域，推动精密测量技术的发展。
论文信息如下：
- 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