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期刊信息/Journal information
中国科学（物理学 力学 天文学）
中国科学（物理学 力学 天文学）

王鼎盛 张杰

月刊

1674-7275

Physics@scichina.org

010-64015835

100717

北京东黄城根北街16号

中国科学（物理学 力学 天文学）/Journal SCIENTIA SINICA Physica,Mechanica & AstronomicaCSCD北大核心CSTPCD
查看更多>>《中国科学》是中国科学院主办、中国科学杂志社出版的自然科学专业性学术刊物。《中国科学》任务是反映中国自然科学各学科中的最新科研成果，以促进国内外的学术交流。《中国科学》以论文形式报道中国基础研究和应用研究方面具有创造性的、高水平的和有重要意义的科研成果。在国际学术界，《中国科学》作为代表中国最高水平的学术刊物也受到高度重视。国际上最具有权威的检索刊物SCI，多年来一直收录《中国科学》的论文。1999年《中国科学》夺得国家期刊奖的第一名。
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    微纳光学传感专题·编者按

    马仁敏李贝贝
    1页
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    光纤端面随机激光器

    仝俊华翟天瑞
    2-19页
    查看更多>>摘要：作为一种从概念到原理都有别于传统激光器的新型激光器件,随机激光器由于其独特的光场特性,加之结构简、制备易、成本低等特点在成像、传感和光子芯片等领域具有广泛的应用前景.随机激光器是利用无序结构提供光学反馈的一类激光器,其内在无序化决定了随机激光的诸多发射特性,如空间相干性低、发射波长和方向随机等.对于不少应用来说,方向性非常重要.将随机激光器与光纤相结合,能够优化随机激光输出方向性,同时也是将随机激光微型化和集成化的重要思路.本文介绍了随机激光的基本概念、典型特征、调控手段等,重点总结了光纤端面随机激光器的设计思路、制备方法、发射特性,列举了其在成像和传感领域的应用实例,最后对该类随机激光器的发展趋势进行了展望.

    随机激光器光纤无散斑成像传感

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    芯片化原子钟和磁力计装置的发展及挑战

    陈天意李东豪徐忠孝申恒...
    20-37页
    查看更多>>摘要：量子精密测量与传感旨在利用量子资源和效应实现超越经典方法的测量精度,并通过量子操控实现对磁场、惯性、重力、时间等物理量的超高精度测量.精密测量是获取物理量信息的源头,随着量子光学、原子物理学等领域的发展,诺贝尔物理学奖成果的推动以及国际计量单位7个基本物理量实现"量子化",精密测量已经进入量子时代.相比于基于经典物理技术的传感器,量子传感器基于对量子系统的操控,测量精度可突破量子极限,另外,因其不受制造差异、缺陷、杂质和老化等因素影响,使其更适用于精密测量.量子传感器在生物磁场测量、地磁异常测量、空间磁场测量等量子精密测量领域已经显示出了其突出的应用价值.在实际应用的过程中,目前的实验系统不可避免地会面临一些新问题,比如系统装置较大、便携性及可操作性差、装置功耗较高、造价昂贵等.鉴于精密测量未来广大的应用前景,国际上的一些研究机构如美国国家标准局积极开展了关于芯片化原子传感装置的研究与系统开发.其中基于原子系统的原子钟、磁力计等方面的研究进展突出.本文主要是从原子钟和磁力计的研究出发对芯片化原子装置的最新发展和应用进行了综述,分析了面临的机遇与挑战.此外,以团队发展的微米原子芯片磁力计为例,介绍了量子增强测量的技术路线.

    芯片化量子精密测量原子传感原子钟原子磁力计

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    可穿戴光纤传感技术:研究进展及未来机遇

    赵磊谭颖玲李航陈锦辉...
    38-54页
    查看更多>>摘要：近年来,可穿戴柔性电子器件快速发展并日趋成熟,广泛地应用在人体工程学、个性化医疗、电子皮肤、人机交互等领域.然而,传统电学传感器件具有容易受到电磁场干扰、不耐电化学腐蚀以及电气安全性等问题,因此可穿戴柔性光纤传感器逐渐得到研究者关注,与电学传感器研究形成良好的互补.本文主要关注可穿戴光纤传感器件研究进展,介绍氧化硅光纤和聚合物光纤这两大类光纤器件的光学传感原理、器件的材料和结构设计方法和光电信号处理技术,以及简要评述在人体健康监测、人机界面等领域的应用,并对未来发展趋势进行展望.

    光纤传感可穿戴传感器件人体健康监测人机交互

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    微纳光机械传感器研究进展

    孙浩哲洪孝荣纪昌银李家方...
    55-75页
    查看更多>>摘要：利用机械运动与光学响应间的相互耦合和共振增强实现的微纳光机械传感器具有小型化、灵敏度高、检测阈值低等优势,其检测范围可从毫米尺度的物理机械运动到纳米尺度下的分子振动,为精确传感的实际应用提供了新颖的策略.微纳光机械传感器可实现多个物理参量的精确传感,如力、位移、质量、声、化学以及热传感参量等.本文介绍了近年来光机械传感器领域的部分重要研究进展,总结了微纳光机械传感器的三个主要发展方向,即无源光机械传感器、电子-光子机械传感平台和中红外分子振动传感,介绍了微纳光机械传感器的配置、应用和集成.最后,对微纳光机械传感器的研究进行了总结和展望.

    光机械传感器精密传感微纳机械系统光学耦合共振

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    微纳激光传感:原理与应用

    胡语婵王文俣姜博施雷...
    76-102页
    查看更多>>摘要：光学微纳谐振腔可具有超高品质因子和极小模式体积,能极大增强光与物质的相互作用,是实现低阈值、窄线宽激光和高精度传感的理想平台.有源谐振腔中光学增益可以补偿谐振模式损耗,从而减小透射谱线宽;在激射状态下,激光阈值曲线斜率明显增加,进而压窄发射谱线宽.因此,当微纳激光器应用于传感领域时,灵敏度和分辨率会得到显著提升,从而降低探测极限.目前,基于不同结构的微纳激光器已被应用于多种物理场检测,包括温度、应力、角速度等,并在气体传感、离子检测、细胞标记等重要生化应用场景中同样展现出广阔的应用潜力.本文介绍了微纳激光的产生机制、传感机制及传感性能优势,梳理了微纳激光传感领域的研究进展,并对该领域的研究趋势进行了展望.

    微纳激光器激光传感激光陀螺活细胞诱导激光标记

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    基于泵浦-探测的瞬态成像:发展与前景

    孙超吕品田康斌徐静娟...
    103-123页
    查看更多>>摘要：泵浦探测方法是研究超快过程广泛使用的基本方法之一.将泵浦探测方法与光学成像技术结合发展出的泵浦探测瞬态成像技术,可以实现高时间分辨、高空间分辨和高成像速度的微纳尺度成像和测量.在光学泵浦探测方法中,泵浦探测方法使用泵浦光激发待测物产生线性或非线性光学效应,使用探测光测量被激发的物质在时间和空间上的分布和迁移现象.根据作用原理的不同,现已开发出瞬态吸收显微镜、瞬态干涉散射显微镜和瞬态光热显微镜等泵浦探测瞬态成像技术.在材料领域,瞬态吸收显微镜和瞬态干涉散射显微镜可以在飞秒尺度研究超快物理过程,为材料的表征和改进提供指导.在生命科学领域,瞬态吸收和瞬态光热显微镜可以无损研究特定分子在细胞尺度下的分布情况,也可以测量亚细胞尺度传热相关的物理量及其空间分布的特性.本文简要介绍了泵浦探测方法用于微纳成像的研究进展,展望了其发展前景.

    泵浦-探测时间分辨瞬态成像

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    基于回音壁模式微泡腔的磁场传感研究

    赵星昀宋继恩段冰吴彦燃...
    124-132页
    查看更多>>摘要：本文设计了一种基于磁流体的回音壁模式(Whispering Gallery Mode,WGM)微腔磁场传感方案,并进行了实验验证.利用WGM微泡腔天然的微流控通道,可以直接向微腔中注入磁流体,使磁流体与WGM倏逝场充分地相互作用.通过仿真分析了注入磁流体前后WGM光场分布的变化以及微泡腔壁厚对传感灵敏度的影响;实验上,制备了微泡腔,并进行了磁场传感实验研究.当施加的外界磁场逐渐增大时,磁流体的折射率随之增大,导致微泡腔共振波长红移,在6-22mT的磁场强度范围内,测得该磁场传感器的灵敏度为2.15pm/mT,探测极限(即最小可探测的磁场变化量)约为0.03 mT.当磁场强度达到22 mT时,磁流体折射率达到饱和值,此时继续增大磁场强度,谐振波长不再偏移.本文制备的磁场传感器具有成本低、易于制备、可靠性高的优势,在磁场检测领域具有重要的应用价值.

    回音壁模式微泡腔磁流体磁场传感

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    基于腔光力系统的新型高精度微陀螺仪

    闫兴黄文逸李喆陈凯...
    133-144页
    查看更多>>摘要：微陀螺仪是一种基于科里奥利原理或萨格拉克效应以测量角速度幅度及频率变化的惯性微传感器件,其在航空航天、无人设备、制导弹药等领域具有异常广泛的应用需求.基于微机电系统的传统微陀螺仪因噪声较大难以进一步获得性能上的较大突破.本文提出一种基于腔光力检测架构的新型微光机电系统高精度微陀螺仪结构,能在低功耗下实现超高精度角速度测量.基于光机械耦合理论,详细分析了该新型高精度微陀螺仪的工作机理和实现原理,并通过仿真验证及优化,得出其理论角速度测量灵敏度为122.2 mV/(°/s),角度随机游走为0.95°/h1/2,在相同量级惯性质量大小情况下,该新型微陀螺仪的精度明显优于传统微机电系统陀螺仪性能.

    微陀螺仪腔光力系统高精度角速度测量

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    纳米氧化锌功能化的SPR传感器及其对甲醛气体的检测

    曾宁杜圆圆魏月月刘博文...
    145-154页
    查看更多>>摘要：基于表面等离激元共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)条件(共振波长、共振角等)对表面折射率极度敏感的特性而发展的SPR折射率(Refractive Index,RI)传感器被广泛地用于物理、化学、生物医学等领域.但是,传感的对象主要局限在溶液体系,以气体为传感对象的工作却比较少.引起这种局限性的原因包括:(1)气体的浓度等参数的变化对传感器表面折射率的影响小,急需灵敏度更高的传感芯片;(2)除了高性能的芯片以外,气体传感还需要稳定结合一套气体流通装置;(3)对气体的特异性检测还要求对传感芯片的表面进行功能性修饰.为了实现基于SPR对甲醛气体的稳定、高灵敏的特异性传感,我们设计了一种以氧化锌纳米颗粒为功能性识别层的SPR折射率光流控传感系统.该系统由自制的周期性表面等离激元阵列来提供超灵敏的SPR传感,在其表面修饰氧化锌纳米颗粒以后,再进一步与气体传输装置紧密封接.原位、实时的甲醛气体传感结果表明,该系统可以并首次实现了通过SPR光谱峰位置的移动对甲醛气体的传感检测;氧化锌纳米颗粒作为功能性识别层,不仅有效地改善了传感器对甲醛气体的特异性检测,还将传感的灵敏度提高了3倍.

    表面等离激元共振SPR折射率传感器氧化锌纳米颗粒甲醛气体的检测

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