一种悬浮带电微球测量电场的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种悬浮带电微球测量电场的装置及方法

【技术实现步骤摘要】
一种悬浮带电微球测量电场的装置及方法


[0001]本专利技术涉及了一种测量空间电场的装置，具体涉及了一种共模抑制激光波动和环境振动的悬浮带电微球测量电场的装置及方法
。

技术介绍

[0002]测量空间电场强度的仪器为场强仪
。
传统的场强仪基于谐振天线或电容极板，将空间电场强度信号转化为天线和极板两端的电压信号，但是该转化增益与天线和极板两端之间的长度正相关，使得场强仪无法兼得高精度和小尺寸
。
以检测工频干扰的场强仪为例，为保持转化增益优于
1mV/(V/m)
，仪器整体尺寸只能优化至分米级，其成本和尺寸限制使其无法如物联网芯片一般进行大规模布网检测
。
[0003]近十年来，悬浮透明介质微米尺寸球并使用毫米尺寸激光测量微球质心位移和受力的技术发展迅速，其力测量精度已达
zN (10
‑
21 N)
量级，是目前可达到的最高精度的力测量手段之一
。
若使得微球带上净电荷，将空间电场强度信号转化为微球受力信号，则可充分利用悬浮微球技术的超高力测量精度优势进行电场测量
。
该方案中，空间电场强度信号转化为微球受力信号的增益没有明显的尺寸限制效应，并且被悬浮微球和激光的尺寸仅分别为微米级和毫米级，因此光悬浮带电微球是一种兼具高精度和小尺寸优点的电场强度测量方案
。
[0004]悬浮带电微球测量电场强度方案目前还在实验室样机阶段，实验室的恒温恒湿环境充分减小了激光光源的功率和指向波动，并且高度封闭环境中且良好设计的隔振装置使得环境振动程度较低
。
而在实际应用场合中，基于悬浮带电微球的场强仪会受到激光光源波动和环境振动的较大干扰，电场测量精度将会恶化
。
因此，对激光和环境干扰的有效抑制具有相当重要的研究价值和现实意义
。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中在实际应用场合下，基于悬浮带电微球的场强仪的电场测量精度会受到激光光源波动和环境振动的较大干扰的问题，本专利技术提出一种共模抑制激光波动和环境振动的悬浮带电微球测量电场的装置及方法
。
[0006]本专利技术的具体技术方案如下：
[0007]一
、
一种悬浮带电微球测量电场的装置
[0008]一种悬浮带电微球测量电场的装置包括激光源
、
第一分束器
、
电场测量组件
、
第一光电面探测器
、
第二光电面探测器
、
第二分束器
、
第一扰动抑制组件
、
第二扰动抑制组件
、
光电点探测器和共模抑制运算电路；激光源的出射光入射至第一分束器发生透射和反射，第一分束器的透射光经电场测量组件后再入射至第一光电面探测器中，第一分束器的反射光入射至第二分束器发生透射和反射，第二分束器的透射光经第一扰动抑制组件后再入射至第二光电面探测器中，第二分束器的反射光经第二扰动抑制组件后再入射至光电点探测器中，第一光电面探测器
、
第二光电面探测器和光电点探测器均与共模抑制运算电路相连
。
[0009]进一步地，所述电场测量组件包括平面反射镜
、
第一聚焦透镜
、
第一微球
、
第一势阱
、
第一收集透镜
、
第二聚焦透镜和净电荷发生器；第一微球稳定悬浮在第一势阱中，净电荷发生器作用于第一微球，使得第一微球带上净电荷；第一分束器的透射光依次经平面反射镜
、
第一聚焦透镜
、
第一微球
、
第一收集透镜和第二聚焦透镜后再入射至第一光电面探测器中
。
[0010]进一步地，所述第一扰动抑制组件包括第三聚焦透镜
、
第二微球
、
第二势阱
、
电场屏蔽器
、
第二收集透镜和第四聚焦透镜；第二势阱设置在电场屏蔽器内，第二微球稳定悬浮在第二势阱中，第二分束器的透射光沿光轴依次经第三聚焦透镜
、
第二微球
、
第二收集透镜和第四聚焦透镜后再入射至第二光电面探测器中
。
[0011]进一步地，所述第二扰动抑制组件包括第五聚焦透镜，第二分束器的反射光经第五聚焦透镜后再入射至光电点探测器中
。
[0012]进一步地，所述激光源为输出高斯基模光束的点光源；所述第一分束器和第二分束器均为偏振无关分束器
。
[0013]进一步地，所述第一聚焦透镜的后焦点
、
第一收集透镜的前焦点和第一微球的球心均重合；第三聚焦透镜的后焦点
、
第二收集透镜的前焦点和第二微球的球心均重合
。
[0014]进一步地，所述第一势阱和第二势阱的类型包括磁阱
、
光阱和电阱；所述第一微球和第二微球的材质类型包括二氧化硅
、
亚克力和聚苯乙烯
。
[0015]进一步地，所述第一光电面探测器和第二光电面探测器的类型包括光电四象限探测器和光电位置传感器；光电点探测器包括
PIN
光电二极管和
APD
雪崩光电二极管
。
[0016]二
、
一种共模抑制激光波动和环境振动的悬浮带电微球测量电场的方法
[0017]方法采用所述的一种共模抑制激光波动和环境振动的悬浮带电微球测量电场的装置，方法包括以下步骤：
[0018]1) 开启激光源的电源，将第一微球和第二微球分别从盛装容器中转移至第一势阱和第二势阱的中心并且被稳定悬浮；
[0019]2) 开启净电荷发生器的电源，使第一微球带上净电荷
Q
；
[0020]3) 开启第一光电面探测器
、
第二光电面探测器
、
光电点探测器和共模抑制运算电路的电源，根据共模抑制运算电路的输出电压
V4计算获得电场强度
。
[0021]进一步地，所述步骤
1)
中，将第一微球和第二微球分别转移至第一势阱和第二势阱的方法包括喷雾法
、
振荡法和毛细管法；所述步骤
2)
中，净电荷发生器使得第一微球带上净电荷的方法包括紫外照射法
、
高压放电法和射线辐射法
。
[0022]本专利技术的有益效果为：
[0023]本专利技术提供了一种提高悬浮带电微球测量电场精度的装置及方法
。
本专利技术中的参考光路内设电场屏蔽器，与测量电路相比，去除了电场信息，保留了激光波动和环境振动信息
。
[0024]本专利技术中通过第一扰动抑制组件和第二光电面探测器，实现了抑制激光指向波动的干扰
。
[0025]本专利技术中通过第本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种悬浮带电微球测量电场的装置，其特征在于，包括激光源（1）
、
第一分束器（2）
、
电场测量组件
、
第一光电面探测器（9）
、
第二光电面探测器（
16
）
、
第二分束器（
17
）
、
第一扰动抑制组件
、
第二扰动抑制组件
、
光电点探测器（
19
）和共模抑制运算电路（
20
）；激光源（1）的出射光入射至第一分束器（2）发生透射和反射，第一分束器（2）的透射光经电场测量组件后再入射至第一光电面探测器（9）中，第一分束器（2）的反射光入射至第二分束器（
17
）发生透射和反射，第二分束器（
17
）的透射光经第一扰动抑制组件后再入射至第二光电面探测器（
16
）中，第二分束器（
17
）的反射光经第二扰动抑制组件后再入射至光电点探测器（
19
）中，第一光电面探测器（9）
、
第二光电面探测器（
16
）和光电点探测器（
19
）均与共模抑制运算电路（
20
）相连
。2.
根据权利要求1所述的一种悬浮带电微球测量电场的装置，其特征在于，所述电场测量组件包括平面反射镜（3）
、
第一聚焦透镜（4）
、
第一微球（5）
、
第一势阱（6）
、
第一收集透镜（7）
、
第二聚焦透镜（8）和净电荷发生器（
21
）；第一微球（5）稳定悬浮在第一势阱（6）中，净电荷发生器（
21
）作用于第一微球（5），使得第一微球（5）带上净电荷；第一分束器（2）的透射光依次经平面反射镜（3）
、
第一聚焦透镜（4）
、
第一微球（5）
、
第一收集透镜（7）和第二聚焦透镜（8）后再入射至第一光电面探测器（9）中
。3.
根据权利要求2所述的一种悬浮带电微球测量电场的装置，其特征在于，所述第一扰动抑制组件包括第三聚焦透镜（
10
）
、
第二微球（
11
）
、
第二势阱（
12
）
、
电场屏蔽器（
13
）
、
第二收集透镜（
14
）和第四聚焦透镜（
15
）；第二势阱（
12
）设置在电场屏蔽器（
13
）内，第二微球（
11
）稳定悬浮在第二势阱（
12
）中，第二分束器（
17
）的透射光沿光轴依次经第三聚焦透镜（
10
）
、
第二微球（
11
）
、
第二收集透镜（
14
）和第四聚焦透镜（
15
）后再入射至第二光电面探测器（<...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝训敏，杨靖，何沛彤，傅振海，高晓文，胡慧珠，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：