CN108982975A - 一种电场探测器 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种电场探测器，能够对两路激光器的偏振态进行控制，减小吸收峰提高信噪比。所述电场探测器包括半导体激光器、第一偏振片、原子气室、第二偏振片、分束器、光探测器、锁相放大器、信号发生器、偏振控制器、第三偏振片、调制器和耦合激光器。第一偏振片、原子气室、第二偏振片、分束器和光探测器设置在半导体激光器发射的第一光信号光路上。调制器、第三偏振片和偏振控制器设置在耦合激光器发射的第二光信号光路上。信号发生器连接锁相放大器和调制器。偏振控制器控制第二光信号经过第二偏振片进入原子气室。原子气室为碱金属气体与第一光信号和第二光信号相互作用和第一光信号在待测电场辐射下autler‑townes分裂提供场所。锁相放大器输出信号。

Description

一种电场探测器
技术领域
本申请涉及电磁场领域，尤其涉及一种电场探测器。
背景技术
电磁场是物理的基本量之一，生活和工作中处处存在。电场的幅度在计量、通信、安全等众多领域都是需要准确测量的。目前电磁场强测量通常使用天线、电磁场探头等传统传感器设备，此类设备均存在一定的缺陷，而且这些设备准确测量电磁场强的溯源途径也存在一定的局限性。目前常用的电磁场探头及传感器可分为偶极子/检波二极管探头和热电偶型探头，场强测量幅度范围基本在1V/m～1300V/m区间内，这两种形式的场探头很难满足高灵敏度和高空间分辨率的测量需求。为了进行更高灵敏度的测量，集成光学技术开始应用于场传感器的研制中。如日本Tokin公司开发的OEFS-2，探测灵敏度为0.1～1mV/m，频率响应为20MHz～1GHz。另外，他们与英国国家物理实验室(NPL)合作，研制出OEFS-M型电场传感器，频率响应达到300MHz～8GHz，但这类电场传感器容易受到温度和环境的影响。近来研究较热的集成光波导LiNbO3电场传感器，这种高压电场传感器的衬底通常采用LiNbO3晶体，电极是普通推挽式结构，光波导结构为MZ干涉型和Y分支波导等。从目前的研究结果看，这类集成光波导电场传感器往往有较大的半波电压和电极电容，能承受数十到数百kV/m的电场，灵敏度不高，频率响应较低，在电力系统有着广泛的应用。无论是偶极子/检波二极管探头、热电偶型探头还是光电传感器，除了在使用时存在着一定的不足，在场强测量准确性溯源方面也存在一定的限制。近几年来，随着量子技术的发展，国际上开始尝试使用量子技术实现电磁场强的精确测量方法研究。与传统场强测量相比，量子场强传感器的场强测量原理基于外加电磁场与碱金属原子能级跃迁的关系，在原理上可以实现不同频段、不同强度的电磁场强测量，而且可以直接溯源到SI参数。提出了基于利用里德堡原子态在电场的相互作用下，EIT现象出现吸收峰，并利用该吸收峰的频率间隔和幅度进行电场探测的方法。由于该方法由于采用的两路激光器为自由运行，未对偏振态进行控制，探测电场的最小幅度约在在1mV/m。
本发明提出一种新型的电场探测器，所述电场探测器能够对两路激光器的偏振态进行控制，减小了EIT在电场作用下的吸收峰，提高了信噪比，扩大了能够检测的探测电场最小幅度范围。
发明内容
本申请实施例提供一种电场探测器，解决了现有技术信噪比低，能够探测电场的幅度范围小的问题。
所诉电场探测器包括半导体激光器、第一偏振片、原子气室、第二偏振片、分束器、光探测器、锁相放大器、信号发生器、偏振控制器、第三偏振片、调制器和耦合激光器。
所述第一偏振片、原子气室、第二偏振片、分束器和光探测器依次设置在所述半导体激光器发射的第一光信号的光路上。
所述调制器、第三偏振片和偏振控制器依次设置在所述耦合激光器发射的第二光信号的光路上。
所述信号发生器与所述锁相放大器和调制器连接。
所述偏振控制器，用于控制所述第二光信号的偏振态，使所述第二光信号经过所述第二偏振片进入所述原子气室。
所述原子气室内包括碱金属气体，外部接收待测电场辐射。
所述原子气室，用于为所述碱金属气体与所述第一光信号和第二光信号相互作用和作用后的第一光信号在待测电场辐射下发生autler-townes分裂提供场所。
所述锁相放大器，用于输出信号。
优选地，所述分束器将所述第一光信号分成两束，一束用于光谱监测，另一束通过所述光探测器。
优选地，所述第一光信号在中心频率进行±100MHz的调谐。
优选地，所述原子气室为铷气室。
优选地，所述第一光信号的波长范围为775～785nm。
优选地，所述第二光信号的波长范围为479～485nm。
优选地，所述原子气室为铯气室。
优选地，所述第一光信号的波长范围为847～857nm。
优选地，所述第二光信号的波长范围为789～799nm。
优选地，所述偏振控制器为法拉第旋转器或液晶偏振控制器。
本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
所述电场探测器能够对两路激光器的偏振态进行控制，减小了EIT在电场作用下的吸收峰，提高了信噪比，使得探测电场的最小幅度小于0.1mV/m。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请实施例提供的一种新型电场探测器的系统图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
图1为本申请实施例提供的一种新型电场探测器的系统图，如图1所示，本申请实施例提供的电场探测器包括半导体激光器1、第一偏振片2、原子气室3、第二偏振片4、分束器5、光探测器6、锁相放大器7、信号发生器8、偏振控制器9、第三偏振片10、调制器11和耦合激光器12。
所述第一偏振片、原子气室、第二偏振片、分束器和光探测器依次设置在所述半导体激光器发射的第一光信号的光路上。
所述调制器、第三偏振片和偏振控制器依次设置在所述耦合激光器发射的第二光信号的光路上。
所述信号发生器与所述锁相放大器和调制器连接。
所述偏振控制器，用于控制所述第二光信号的偏振态，使所述第二光信号经过所述第二偏振片进入所述原子气室。
所述原子气室内包括碱金属气体，外部接收待测电场辐射。
所述原子气室，用于为所述碱金属气体与所述第一光信号和第二光信号相互作用和作用后的第一光信号在待测电场辐射下发生autler-townes分裂提供场所。
所述锁相放大器，用于输出信号。
作为本申请的实施例，所述分束器将所述第一光信号分成两束，一束用于光谱监测，另一束通过所述光探测器。所述偏振控制器为法拉第旋转器或液晶偏振控制器。所述信号发生器发出的信号为频率在10～100kHz范围内，最优为30kHz的方波。
在所述电场探测器的工作过程中，所述待检测的电场辐射至所述原子气室，所述半导体激光器和所述耦合激光器不同分别发射第一光信号和第二光信号。所述第一光信号和所述第二光信号的波长根据所述原子气室内的碱性金属气体进行调节。若所述原子气室为铷气室。所述第一光信号的波长范围为775～785nm，例如可以是780nm。所述第二光信号的波长范围为479～485nm，例如可以是482nm。若所述原子气室为铯气室。所述第一光信号的波长范围为847～857nm，例如可以是852nm。所述第二光信号的波长范围为789～799nm，例如可以是794nm。其中所述第一光信号在中心频率进行±100MHz的调谐。例如所述第一光信号的中心频率为900mhz，经过的频率为800～1000mhz。
所述第一光信号为椭圆偏振光，通过所述第一偏振片起偏转换为线偏振光，再进入所述原子气室。所述第二光信号进入所述调制器。所述信号发生器向所述调制器加载一个频率在10～100kHz范围内的方波，对所述第二光信号进行调制。所述第二光信号在进入第三偏振片之前，可为椭圆偏振光，经过所述第三偏振片起偏转换为线偏振光。所述偏振控制器对经过转换后的第二光信号的偏振态进行控制，调节所述第二光信号的角度，使所述第二光信号经过所述第二偏振片进入所述原子气室。所述待测电场的微波信号辐射至所述原子气室，起偏后的所述第一光信号和第二光信号先在所述原子气室内与碱金属气体相互作用，产生EIT电磁诱导透明现象。待测电场辐射所述相互作用后的原子气室，第一光信号在所述待测电场的辐射作用下发生autler-townes分裂，形成两个边峰，产生一个像素噪声低的光信号。所述光信号经过第二偏振片后保持偏振状态，由所述分束器分为两束，其中一束可用于光谱检测，另一束通过所述光探测器转换为电信号进入所述锁相放大器。所述信号发生器向所述锁相放大器也加载一个频率在10～100kHz范围内的方波，所述电信号经过锁相放大，在所述锁相放大器的出口端产生具有频率间隔的两个边峰。
通过公式：E＝h2πΔf/Ρrf可以计算出待检测的电场强度。其中所述h为普朗克常数，Ρrf为待检测的电场辐射所述原子气瓶产生的射频场的偶极矩，Δf为两个边锋之间的频率间隔。因频率相同的电场辐射原子气瓶产生的射频场Ρrf相同，通过测试多个和待测电场频率相同的已知强度电场辐射所述原子气瓶产生射频场，可实验外推出所述射频场的Ρrf。
所述电场探测器的测试方法能够对两路激光器的偏振态进行控制，减小了EIT在电场作用下的吸收峰，提高了信噪比，使得探测电场的最小幅度小于0.1mV/m。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种电场探测器，其特征在于，包括半导体激光器、第一偏振片、原子气室、第二偏振片、分束器、光探测器、锁相放大器、信号发生器、偏振控制器、第三偏振片、调制器和耦合激光器；
所述第一偏振片、原子气室、第二偏振片、分束器和光探测器依次设置在所述半导体激光器发射的第一光信号的光路上；
所述调制器、第三偏振片和偏振控制器依次设置在所述耦合激光器发射的第二光信号的光路上；
所述信号发生器与所述锁相放大器和调制器连接；
所述偏振控制器，用于控制所述第二光信号的偏振态，使所述第二光信号经过所述第二偏振片进入所述原子气室；
所述原子气室内包括碱金属气体，外部接收待测电场辐射；
所述原子气室，用于为所述碱金属气体与所述第一光信号和第二光信号相互作用和作用后的第一光信号在待测电场辐射下发生autler-townes分裂提供场所；
所述锁相放大器，用于输出信号。
2.如权利要求1所述的电场探测器，其特征在于，所述分束器将所述第一光信号分成两束，一束用于光谱监测，另一束通过所述光探测器。
3.如权利要求1所述的电场探测器，其特征在于，所述第一光信号在中心频率进行±100MHz的调谐。
4.如权利要求1所述的电场探测器，其特征在于，所述原子气室为铷气室。
5.如权利要求4所述的电场探测器，其特征在于，所述第一光信号的波长范围为775～785nm。
6.如权利要求4所述的电场探测器，其特征在于，所述第二光信号的波长范围为479～485nm。
7.如权利要求1所述的电场探测器，其特征在于，所述原子气室为铯气室。
8.如权利要求7所述的电场探测器，其特征在于，所述第一光信号的波长范围为847～857nm。
9.如权利要求7所述的电场探测器，其特征在于，所述第二光信号的波长范围为789～799nm。
10.如权利要求1所述的电场探测器，其特征在于，所述偏振控制器为法拉第旋转器或液晶偏振控制器。
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