适用于光学泵浦磁力仪的芯片级封装在线偏振分辨探测器

为什么缩小磁传感器很重要

我们的身体和地球持续产生微弱的磁性低语——来自人脑与心脏的信号，或来自地表深处的隐蔽结构。倾听这些低语可为医生、科学家和工程师提供重要信息，但当今最灵敏的仪器往往体积庞大、脆弱且价格高昂。本文报道了朝着掌上型量子磁传感器迈出的关键一步：一种可以封装在芯片上的微型光探测器，能够以令人印象深刻的精度读取超弱磁场。

光如何揭示看不见的磁场

光学泵浦磁力仪是一类新型量子传感器，其性能可与医院和研究实验室使用的超导低温磁力计竞争，甚至在某些情形下超越它们。其工作原理是将激光光束照入装有碱金属原子（如铷）的微小气体室。当存在磁场时，这些原子的自旋会使光的偏振发生微小旋转——就像光波振动方式的微小转动。测量这种极微小的旋转就能判断磁场强度，并且可在或接近室温下进行。问题在于旋转量极其微小，因此光探测系统必须既非常灵敏又高度稳定。

从台面光学到芯片级器件

传统的光学泵浦磁力仪依赖一组分离的部件：用于将光分成两路的偏振分束器，以及一对匹配的光电探测器用于比较两路信号。这种配置工作良好，但占用空间并要求精密的光学对准，这成为构建可穿戴脑部扫描仪或便携式现场仪器的主要障碍。作者通过将光学与电子功能整合到一个紧凑模块中来解决这一挑战，该模块称为芯片级封装在线偏振分辨探测器（CSP‑iPRD）。该器件体积大致相当于一粒米，目标是取代传统系统中占据整张桌子的体积光学元件。

微型偏振器与双通道光传感器

CSP‑iPRD的核心由两个关键部分组成。首先是“线栅偏振器”，通过在透明石英芯片上用常规半导体工艺图案化铝纳米线制成。这些线的间距远小于光的波长，因此一种偏振分量可以通过，而另一种则主要被反射。在单一芯片上，团队集成了两个具有垂直偏振方向的此类区域，使得光可以并排分成正交的两个分量。第二个组件是用标准兼容 CMOS 工艺制造的双腔（bi‑cell）光电二极管。它包含两块几乎相同的光敏区域，其电学响应高度匹配，这对于在两路信号相减时抵消共同噪声至关重要。

将各部分组装在一起

研究人员将线栅芯片直接堆叠在双腔探测器之上，中间置入精密加工的间隔件，形成一个仅 3.5 × 3.5 × 1.8 毫米的立方体。当激光束透过时，每个偏振分量会被引导到光电二极管的一半。通过测量两路输出的差值，系统能够读取偏振角的微小变化。实验室测试表明，集成偏振器实现了较强的消光比——即能够干净地分离偏振——且组装后的探测器可分辨小于千分之一度的偏振旋转。更重要的是，该芯片在宽频率范围内对诸如激光功率波动等不需要的共同信号具有很强的抑制作用。

测量真实磁场

为了证明该器件不仅是实验室的玩意儿，团队将其接入高性能的“SERF”光学泵浦磁力仪——这种设计以在极低磁场下创纪录的灵敏度著称。在磁屏蔽的封闭环境中，他们使用芯片监测通过加热的铷蒸气室时激光束的偏振旋转。所得的磁敏感度约为在 10 赫兹处 33.5 飞托斯拉每根赫兹的平方根，约为用于比较的笨重大型商用探测器灵敏度的两倍劣于后者，主要原因是微小芯片收集到的光更少。尽管如此，这一水平已足以满足许多实际应用，包括心肌与肌电测量以及某些脑成像任务。

这对未来设备意味着什么

通俗地说，新型探测器以适度的原始灵敏度损失换取了在体积、稳健性和制造便利性上的巨大提升。由于它采用标准芯片制造方法构建且不需要脆弱的自由空间光学对准，便于大规模复制与组装，从而为适配头盔或便携探头的密集传感器阵列铺平道路。通过进一步改进光收集与涂层，作者预计可以在不牺牲紧凑形态的前提下提高性能。总之，这项工作表明，最先进量子磁力计的关键部件可以被缩小并集成到芯片上，使超灵敏磁场测量更接近日常的临床、工业与现场应用。

引用: Cho, H.J., Na, Y., Park, S. et al. Chip-scale packaged in-line polarization-resolved detector for optically pumped magnetometers. Microsyst Nanoeng 12, 114 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01226-z

关键词: 光学泵浦磁力仪, 芯片级传感器, 偏振探测器, 量子磁力计, 生物医学成像