Высокочувствительное зондирование космического электрического поля на основе микроволоконного интерферометра с золотой нанопленкой, управляемой силой поля.

Jun 02, 2023

Научные отчеты, том 5, Номер статьи: 15802 (2015) Цитировать эту статью

5338 Доступов

6 цитат

Подробности о метриках

Традиционное измерение электрического поля может быть реализовано с использованием электрооптических материалов или жидких кристаллов и имеет ограничения, связанные с легкостью разрушения, свободной сборкой и сложностью измерения низких частот. Здесь мы предлагаем новый метод реализации безопасного измерения пространственного динамического электрического поля с использованием микроволоконного интерферометра, интегрированного с золотой нанопленкой. Энергия электрического заряда, полученная через антенну, формирует собственное электрическое поле с двумя микроэлектродами, один из которых представляет собой вибрационный луч из золотой пленки длиной 120 нм, микрообработанный фемтосекундными лазерами и интегрированный с микроволокном. Изменение силы собственного электрического поля из-за пространственного электрического поля вызовет вибрацию пленочного луча. Демодулируя выходной сигнал микроволоконного интерферометра, можно измерить электрическое поле. Мы демонстрируем обнаруживаемые диапазоны частот от десятков Гц до десятков кГц, а минимальная напряженность электрического поля составляет ~ 200 В/м при частоте 1 кГц. Наша технология измерения электрического поля, сочетающая интерференцию оптического волокна с золотыми наноструктурами, демонстрирует преимущества безопасности, высокой чувствительности, компактных размеров и мультиплексного многоточечного и дистанционного обнаружения.

Измерение электрического поля важно для предотвращения электромагнитных помех1, балансировки напряжения2,3,4, экранирования электромагнитного излучения ближнего поля5 и других специальных применений, таких как обнаружение зарядов6, электростатических осадков7 и преобразователь сигналов миллиметровых волн в световые8. Хотя традиционные датчики электрического поля, такие как управляемые электроны9 (диапазон обнаружения от нескольких мВ/м до десятков В/м), сферический зонд электрического поля10 (<12 кВ/м), бистабильная микроэлектронная схема11 и трехосное электрическое поле THEMIS Приборы12 (от мВ/м до нескольких В/м) в некоторых приложениях могут работать точно, они легко повреждаются вместе с последующими цепями из-за непредсказуемо высокой напряженности электрического поля и требуют активных устройств, что делает их непригодными для дистанционного обнаружения. Кроме того, металлические цепи и кабели передачи сигналов чувствительны к электромагнитным помехам.

В последние годы обнаружение оптического электрического поля6,13,14,15,16,17,18,19,20,21 привлекает все большее внимание. Они обладали такими хорошими качествами, как дистанционное и безопасное измерение, пассивный компонент, интегрированная структура, простота подключения к сети на основе технологии WDM, чрезвычайно слабое воздействие на окружающую среду и источник электрического поля. Измерения оптического электрического поля во временной области основаны на двух видах материалов14,15,16,17,18,19,20,21 соответственно. Первый — это электрооптические (ЭО) материалы14,15,16,17,18,19, которые в первую очередь используются для измерения электрического поля на частотах от МГц до ГГц. Соответствующие диапазоны обнаружения превышают 2,5 В/м (или несколько мВт/м2 минимальной обнаруживаемой плотности потока электромагнитной энергии) для исх. от 14 и 19 В/м до 23 кВ/м для арт. 15, Но об этом редко сообщалось в низкочастотных приложениях ниже десятков килогерц из-за нерегулярной частотной характеристики, вызванной пьезоэлектрическим эффектом материалов EO22,23,24,25 или другими эффектами15,26. Вторым материалом является жидкий кристалл16,18,20,21, который применим для измерения электрического поля на низкой частоте, а заявленные диапазоны обнаружения напряженности электрического поля превышают десятки кВ/м для справки. 20 и от 1 до 4,1 кВ/мм для исх. 21.

Учитывая, что большинство измерений низкочастотного электрического поля используются в электроэнергетических системах, очень важно обеспечить безопасное измерение низкочастотного электрического поля с высокой чувствительностью. Впервые мы предлагаем новый метод изготовления датчика путем объединения антенны и оптического волокна, обнаруживаемая частота которого находится в диапазоне от десятков Гц до десятков кГц. Минимальная обнаруживаемая напряженность электрического поля составляет ~ 200 В/м при частоте 1 кГц, а максимальная - около 5 кВ/м в зависимости от напряженности полуволнового электрического поля. Чувствительность можно дополнительно повысить за счет изменения конструкции и параметров антенны (предел минимально обнаруживаемой напряженности электрического поля может составлять всего ~0,015 В/м при длине антенны ~27 мм). Ключевым компонентом датчика является интерферометр из микроволокна, интегрированный с золотой нанопленкой. Обнаружение достигается за счет микрозоны в датчике с сильным электрическим полем, образованным связью между антенной и космическим электрическим полем. Золотая нанопленка может функционировать как электрод микрозоны, в то же время она деформируется под действием сверхслабой электростатической силы, вызванной сильным электрическим полем. Вибрационный луч, образованный золотой нанопленкой, может быть отражателем интерферометра Фабри-Перо (FP). Следовательно, изменение космического электрического поля можно обнаружить путем демодуляции изменения длины резонатора интерферометра под действием электростатической силы.