北大长三角光电研究院与清华大学联合研发WGM光学微腔探针，实现磁场传感与成像新突破
高灵敏度磁传感器作为现代精密测量技术的重要组成部分，广泛应用于生物医学、工业检测、矿产勘探以及电力系统安全监控等多个领域。传统高精度磁传感器，例如超导量子干涉仪（SQUID），尽管具备极高的灵敏度，但其运行需依赖低温环境，设备庞大、造价高昂，难以满足便携或复杂应用场景的需求。
在室温条件下实现高灵敏度、快速响应、微型化并具备良好环境适应性的磁传感，是当前研究面临的重大挑战。
基于WGM光学微腔的新一代磁传感器
为解决上述难题，北京大学长三角光电科学研究院与清华大学的研究团队，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）光学微腔的创新性磁传感方案。该方案巧妙结合了磁致伸缩材料与光学微腔，开发出一款完全封装、探针式结构的高性能磁传感器。
该器件不仅能够实现对直流与交流磁场的超高灵敏度探测，还首次将WGM微腔技术拓展至磁场成像领域，为在室温下进行高精度磁测量提供了全新的技术路径。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。
研究亮点与核心突破
1. 探针式封装技术实现稳定性突破
研究人员在Terfenol-D磁致伸缩材料表面，通过自组装技术构建了一个环氧-氧化物光学微瓶腔。该设计实现了磁致伸缩应变与光学模式的高效耦合，构建了力-光-磁转换机制。通过低折射率聚合物封装技术，将微腔与锥形光纤结构共同封装于石英毛细管中，成功打造出一款具备高鲁棒性、极小尺寸的探针装置。这种探针不仅结构稳固，还具备良好的环境适应能力，为三维磁场的高精度探测提供了坚实基础。
2. 高响应速度与纳特级磁场灵敏度
该探针在微型化设计下仍保持超过10⁶的品质因子（Q值），为高精度传感提供了保障。其磁场响应速度达到微秒级（上升时间66 μs，下降时间80 μs），支持从直流到19 MHz的宽频磁场检测。在125 kHz频率下，灵敏度达到25.2 nT/Hz¹/²，性能接近甚至超越当前许多商用磁传感器。
此外，该探针还可利用磁场实现高达约50 GHz的谐振模式自扫描，有效降低了对可调谐激光器的依赖。
3. 首次实现WGM微腔探针的磁场成像
基于探针的高灵敏度与稳定扫描特性，研究团队开发了一套全光学、非接触式的磁场成像系统。通过对电磁吸盘和永磁体表面的二维扫描，成功构建出磁场的空间分布图像（见图2）。这种“磁场成像”技术为揭示磁场源的微观结构、材料缺陷和电流分布等信息提供了全新的可视化手段，对电磁兼容分析、无损检测和磁性材料表征等具有重要应用价值。
技术前景与潜在应用
本研究开发的WGM微腔磁传感器，集高灵敏度、全封装结构、微秒级响应和磁场成像能力于一体，为下一代高性能、室温磁测量技术提供了具有潜力的解决方案。该技术的实现标志着光学微腔磁传感从基础研究迈向实际应用的重要进展。
未来，若进一步提升微腔Q值、减小探针尺寸并优化磁致伸缩材料性能，灵敏度有望提升至亚皮特（pT）甚至飞特（fT）级别。该技术有望在生物磁成像、芯片级无损检测及智能电网监测等领域发挥重要作用，推动高精度测量技术的持续发展。
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