山西大学在腔光力传感器领域取得重要进展

近日，山西大学光电研究所李永民教授课题组和申恒教授课题组合作在腔光力传感器领域取得重要进展，提出了一种新型磁力计—光纤腔光力磁力计的构建方案，基于该新型磁力计，研究团队结合波分复用技术，在国际上首次实验实现了公里级腔光力光纤传感网络，并成功对三维磁场进行了高灵敏分布式测量。该研究成果以“Optomechanical sensor network with fiber Bragg gratings”为题，发表于Nature Communications。光电研究所博士生杨世伟、张强教授和博士生杨麟润为论文共同第一作者，张强教授、申恒教授与李永民教授为论文通讯作者，硕士生刘航华、博士生王泉森以及张鹏飞教授参与了该研究。

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图1. 腔光力传感网络。a. 传感网络的实验装置；b. 光纤腔光力磁力计示意图；c. 光纤腔光力磁力计的实物图；d. 光栅的反射光谱；e.光纤机械振子与Terfenol-D机械振子的振型。

传感器网络通过广泛分布的传感器节点，能够全面采集目标信息，在智慧城市、物联网、油气工业和地震监测等领域具有重要的应用价值。传感器作为其核心器件，需兼具高灵敏度、强鲁棒性和可复用性。腔光力体系作为一种新兴的超灵敏传感技术，已成功实现对应力、位移、磁场等多种物理量的高精度单点式传感。然而，将现有单点式腔光力传感器直接用于构建传感网络仍面临关键挑战，其核心难题在于如何将多个传感器与长距离标准单模光纤实现低损耗、无缝融合，并确保信号光在长距离传输中不受单模光纤退偏导致的偏振扰动影响。

研究团队通过融合腔光力学传感机制与光纤传感技术，构建了Terfenol-D机械振子，成功设计并制备出新型光纤腔光力磁力计，其DC和AC磁场峰值灵敏度分别为8.73 pm/Gs和537 fT/Hz1/2。在此基础上，团队进一步利用波分复用技术，将多个单点式光纤腔光力磁力计串联集成于单根长距离标准单模光纤中，首次在实验上实现了公里级腔光力传感器网络，并基于该网络在常温、常压及无磁屏蔽条件下完成了对三维磁场的高灵敏分布式测量。该工作为光纤传感领域引入了新的物理机制，同时拓展了腔光力学的应用范围，为光纤传感与腔光力学两领域的深度交叉融合提供了新思路。

这项工作得到科技创新2030“量子通信与量子计算机”重大项目、国家自然科学基金、光量子技术与器件全国重点实验室、省部共建极端光学协同创新中心及山西省基础研究计划的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-66350-2