【技术实现步骤摘要】
本申请涉及力探测，尤其涉及一种电场强度测量装置及其测量方法。
技术介绍
1、场强仪是一种用于测量电场强度的仪器。传统的场强仪的原理是基于电磁感应和电磁波传播，其具体原理如下：根据法拉第电磁感应定律，当一个导体在变化的磁场中运动或者一个导体被置于变化的磁场中时，会在导体中产生感应电动势。场强仪利用这一原理，通过探测电磁场中的变化来测量场强。场强仪通常配备了一根天线，用来接收电磁信号。当电磁波通过天线时，天线感应到电磁波的能量，并将其转换为电信号。场强仪对接收到的电信号进行放大、滤波和处理，以获得准确的场强数值。一般商用的场强仪的电场灵敏度在mv/m(毫伏/米)量级。
2、基于悬浮光力的电场测量方法是将悬浮微粒带上一定数量的电荷，根据微粒在待测电场中的位移功率谱密度信号可得到微粒所受电场力，结合微粒所带电荷量即可计算出待测电场强度。可以在不改变原有悬浮微粒的状态下实现电场探测，借助悬浮谐振子的高灵敏力学检测性能，可以在几赫兹至兆赫兹的宽频带范围内实现电场探测的高灵敏度。通过测量微粒在三个正交方向上的位移功率谱密度，可以实现微粒所处位置的矢量电场探测。由于悬浮微粒的尺寸很小，电场探测的空间分辨率可达百纳米级。该技术可以达到0.1mv/m量级的电场探测灵敏度，优于传统的商业场强仪。
3、然而，现有的基于悬浮光力的电场测量方法采用商用成品光机电元器件搭建基于空间光路的电场强度测量装置，由于空间光路存在体积大、光路复杂、难调节、易受干扰、操作复杂等问题，不利于系统的集成化、小型化、智能化。
1、本申请的目的在于提供一种电场强度测量装置及其测量方法，旨在解决现有技术中所提到的至少一个技术问题。
2、本申请的一个方面提供一种电场强度测量装置。所述电场强度测量装置包括光纤激光器、光纤分束器、第一支路、第二支路、信号处理器及放电模块，所述光纤激光器通过光纤与所述光纤分束器连接，所述光纤分束器通过光纤分别与所述第一支路和所述第二支路连接，其中，所述光纤分束器用于将所述光纤激光器出射的激光分成两路，其中一路作为参考光进入到所述第一支路，另外一路作为探测光进入到所述第二支路，所述第一支路包括用于探测参考光的第一探测模块，所述第二支路包括光阱捕获模块及第二探测模块，所述光阱捕获模块用于形成光阱来捕获位于真空腔中的微粒并使之悬浮，所述第二探测模块用于探测捕获光场经过微粒形成的散射光，所述放电模块用于调节所述微粒的电荷量，所述第一探测模块及所述第二探测模块均连接至所述信号处理器，所述信号处理器用于基于所述第一探测模块的探测信号和所述第二探测模块的探测信号来确定所述微粒所处位置的电场强度。
3、进一步地，所述第一探测模块包括光纤衰减器和功率探测器，所述光纤衰减器通过光纤连接在所述光纤分束器与所述功率探测器之间。
4、进一步地，所述光阱捕获模块包括光纤准直器及捕获物镜，所述光纤准直器用于将光进行扩束准直，所述捕获物镜用于将扩束准直后的光进行聚焦形成所述光阱。
5、进一步地，所述捕获物镜包括非球面玻璃单透镜。
6、进一步地，所述第二探测模块包括准直透镜、衰减片、聚焦透镜及四象限探测器，其中，所述捕获物镜及所述准直透镜位于所述真空腔中，经过所述微粒的散射光经所述准直透镜准直后进入到所述衰减片，通过所述衰减片衰减后被所述聚焦透镜汇聚在所述四象限探测器上。
7、进一步地，所述光阱捕获模块还包括声光调制器，所述声光调制器通过光纤连接在所述光纤分束器与所述光纤准直器之间，用于对光进行调制。
8、进一步地，所述电场强度测量装置还包括上位机，所述信号处理器与所述上位机相连，所述上位机用于对所述信号处理器处理后的信号进行分析以形成反馈信号，并将所述反馈信号输入到所述声光调制器中进行调制。
9、进一步地，所述电场强度测量装置还包括显示器，所述显示器与所述上位机相连。
10、进一步地，所述电场强度测量装置还包括抽真空装置，所述抽真空装置通过抽气阀连接至所述真空腔，并且，所述抽真空装置与所述上位机相连。
11、进一步地，所述抽真空装置包括机械泵和涡轮分子泵，所述机械泵为所述涡轮分子泵的前级泵，所述机械泵用于实现所述真空腔的中低真空度，所述涡轮分子泵用于实现所述真空腔的超高真空度。
12、进一步地，所述电场强度测量装置还包括用于测量所述真空腔中的气压数据的气压测量装置，所述气压测量装置与所述上位机相连。
13、进一步地，所述气压测量装置包括薄膜真空计和热阴极电离真空计，所述薄膜真空计和所述热阴极电离真空计各自分别通过管路与所述真空腔相连，其中，所述薄膜真空计用于测量所述真空腔在低真空时的气压数据；所述热阴极电离真空计用于测量所述真空腔在超高真空时的气压数据。
14、进一步地，所述放电模块包括等离子放电模块及放电电极，其中，所述放电电极位于所述真空腔内，所述等离子放电模块通过所述放电电极产生高压离子电。
15、进一步地，所述电场强度测量装置还包括起支装置，所述起支装置通过放气阀连接至所述真空腔，用于将雾化后的微粒输入到所述真空腔中。
16、本申请一个或多个实施例的电场强度测量装置通过采用光纤替代传统的空间光路，有利于提高系统的稳定性。
17、本申请一个或多个实施例的电场强度测量装置通过优化光路形式、优化器件等手段，在保证装置功能和性能的同时使装置结构更加紧凑，具有小型化、集成化、智能化等优点。
18、本申请一个或多个实施例的电场强度测量装置可以实现超高真空环境，从而可以隔绝外界的机械、空气、温度等扰动，提高测量的精确度。
19、本申请的另一个方面提供一种电场强度测量方法。所述方法包括：将出射的激光分成两路，其中一路作为参考光，另外一路作为探测光；对所述参考光进行探测并进行光电转换；通过高压放电调节位于真空腔中的微粒所带的电荷量；将所述探测光扩束准直后进行聚焦形成光阱来捕获所述微粒并使之悬浮；探测捕获光场经过所述微粒形成的散射光并进行光电转换；基于所述散射光的电信号来获得所述微粒在x轴和y轴上的运动信息，其中，x轴和y轴为在垂直于光轴方向的平面内的两个相互垂直的方向；基于所述参考光的电信号和所述散射光的电信号的对比分析来获得所述微粒在z轴上的运动信息，其中，z轴为所述光轴方向；分别对所述微粒在x轴、y轴和z轴上的运动信息进行处理来获得所述微粒在电场作用下运动的位移功率谱密度；基于所述位移功率谱密度得到所述微粒所受的电场力；以及基于所述微粒所受的电场力和所述微粒所带的电荷量计算得到所述微粒所在位置处的电场强度。
20、本申请一个或多个实施例的电场强度测量方法可以实现高精度、高分辨率、高动态范围的低频电场强度的测量。
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1.一种电场强度测量装置，其特征在于，包括光纤激光器、光纤分束器、第一支路、第二支路、信号处理器及放电模块，所述光纤激光器通过光纤与所述光纤分束器连接，所述光纤分束器通过光纤分别与所述第一支路和所述第二支路连接，其中，所述光纤分束器用于将所述光纤激光器出射的激光分成两路，其中一路作为参考光进入到所述第一支路，另外一路作为探测光进入到所述第二支路，所述第一支路包括用于探测参考光的第一探测模块，所述第二支路包括光阱捕获模块及第二探测模块，所述光阱捕获模块用于形成光阱来捕获位于真空腔中的微粒并使之悬浮，所述第二探测模块用于探测捕获光场经过微粒形成的散射光，所述放电模块用于调节所述微粒的电荷量，所述第一探测模块及所述第二探测模块均连接至所述信号处理器，所述信号处理器用于基于所述第一探测模块的探测信号和所述第二探测模块的探测信号来确定所述微粒所处位置的电场强度。
2.如权利要求1所述的电场强度测量装置，其特征在于，所述第一探测模块包括光纤衰减器和功率探测器，所述光纤衰减器通过光纤连接在所述光纤分束器与所述功率探测器之间。
3.如权利要求1所述的电场强度测量装置，其特
4.如权利要求3所述的电场强度测量装置，其特征在于，所述捕获物镜包括非球面玻璃单透镜。
5.如权利要求3所述的电场强度测量装置，其特征在于，所述第二探测模块包括准直透镜、衰减片、聚焦透镜及四象限探测器，其中，所述捕获物镜及所述准直透镜位于所述真空腔中，经过所述微粒的散射光经所述准直透镜准直后进入到所述衰减片，通过所述衰减片衰减后被所述聚焦透镜汇聚在所述四象限探测器上。
6.如权利要求3所述的电场强度测量装置，其特征在于，所述光阱捕获模块还包括声光调制器，所述声光调制器通过光纤连接在所述光纤分束器与所述光纤准直器之间，用于对光进行调制。
7.如权利要求6所述的电场强度测量装置，其特征在于，还包括上位机，所述信号处理器与所述上位机相连，所述上位机用于对所述信号处理器处理后的信号进行分析以形成反馈信号，并将所述反馈信号输入到所述声光调制器中进行调制。
8.如权利要求7所述的电场强度测量装置，其特征在于，还包括显示器，所述显示器与所述上位机相连。
9.如权利要求7所述的电场强度测量装置，其特征在于，还包括抽真空装置，所述抽真空装置通过抽气阀连接至所述真空腔，并且，所述抽真空装置与所述上位机相连。
10.如权利要求9所述的电场强度测量装置，其特征在于，所述抽真空装置包括机械泵和涡轮分子泵，所述机械泵为所述涡轮分子泵的前级泵，所述机械泵用于实现所述真空腔的中低真空度，所述涡轮分子泵用于实现所述真空腔的超高真空度。
11.如权利要求9所述的电场强度测量装置，其特征在于，还包括用于测量所述真空腔中的气压数据的气压测量装置，所述气压测量装置与所述上位机相连。
12.如权利要求11所述的电场强度测量装置，其特征在于，所述气压测量装置包括薄膜真空计和热阴极电离真空计，所述薄膜真空计和所述热阴极电离真空计各自分别通过管路与所述真空腔相连，其中，所述薄膜真空计用于测量所述真空腔在低真空时的气压数据；所述热阴极电离真空计用于测量所述真空腔在超高真空时的气压数据。
13.如权利要求1所述的电场强度测量装置，其特征在于，所述放电模块包括等离子放电模块及放电电极，其中，所述放电电极位于所述真空腔内，所述等离子放电模块通过所述放电电极产生高压离子电。
14.如权利要求1所述的电场强度测量装置，其特征在于，还包括起支装置，所述起支装置通过放气阀连接至所述真空腔，用于将雾化后的微粒输入到所述真空腔中。
15.一种电场强度测量方法，其特征在于，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种电场强度测量装置，其特征在于，包括光纤激光器、光纤分束器、第一支路、第二支路、信号处理器及放电模块，所述光纤激光器通过光纤与所述光纤分束器连接，所述光纤分束器通过光纤分别与所述第一支路和所述第二支路连接，其中，所述光纤分束器用于将所述光纤激光器出射的激光分成两路，其中一路作为参考光进入到所述第一支路，另外一路作为探测光进入到所述第二支路，所述第一支路包括用于探测参考光的第一探测模块，所述第二支路包括光阱捕获模块及第二探测模块，所述光阱捕获模块用于形成光阱来捕获位于真空腔中的微粒并使之悬浮，所述第二探测模块用于探测捕获光场经过微粒形成的散射光，所述放电模块用于调节所述微粒的电荷量，所述第一探测模块及所述第二探测模块均连接至所述信号处理器，所述信号处理器用于基于所述第一探测模块的探测信号和所述第二探测模块的探测信号来确定所述微粒所处位置的电场强度。
2.如权利要求1所述的电场强度测量装置，其特征在于，所述第一探测模块包括光纤衰减器和功率探测器，所述光纤衰减器通过光纤连接在所述光纤分束器与所述功率探测器之间。
3.如权利要求1所述的电场强度测量装置，其特征在于，所述光阱捕获模块包括光纤准直器及捕获物镜，所述光纤准直器用于将光进行扩束准直，所述捕获物镜用于将扩束准直后的光进行聚焦形成所述光阱。
4.如权利要求3所述的电场强度测量装置，其特征在于，所述捕获物镜包括非球面玻璃单透镜。
5.如权利要求3所述的电场强度测量装置，其特征在于，所述第二探测模块包括准直透镜、衰减片、聚焦透镜及四象限探测器，其中，所述捕获物镜及所述准直透镜位于所述真空腔中，经过所述微粒的散射光经所述准直透镜准直后进入到所述衰减片，通过所述衰减片衰减后被所述聚焦透镜汇聚在所述四象限探测器上。
6.如权利要求3所述的电场强度测量装置，其特征在于，所述光阱捕获模块还包括声光调制器，所述声光调制器通过光纤连接在所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：章逸舟，傅振海，石云杰，陈志明，郑毅，王颖颖，何沛彤，朱绍冲，徐晋升，胡慧珠，高晓文，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：
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