CN109324233B - 基于多光束激光光谱技术的工频电场测量方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及工频电场的离线探测领域，具体为一种基于高激发原子斯塔克效应、利用多光束激光光谱技术的工频电场探测方法及装置。基于多光束激光光谱技术工频电场测量方法，将两束不同频率的激光相对且共线入射至一个内部充有碱金属原子蒸汽的样品池中，两束激光与原子相互作用形成三能级系统，利用其中一束激光的透射光谱可以实现对三能级系统中高激发态原子能级移动的测量，透射光谱的强度由光电探测器转化为相应的电信号进行测量；本发明还涉及基于多光束激光光谱技术工频电场测量装置。

Description

基于多光束激光光谱技术的工频电场测量方法和装置
技术领域
本发明涉及工频电场的离线探测领域，具体为一种基于激发原子斯塔克效应、利用多光束激光光谱技术的工频电场探测方法及装置。
背景技术
工频电场是指50Hz或60Hz随时间正弦变化的电荷产生的电场。高灵敏度球型偶极子场强仪，一般测量电压的范围为3V/m ~ 100KV/m。不同于高频电场的电磁辐射方式，工频输电线路和电力设施附件环境中存在的是工频电场，离线测量工频电场对于高压、特高压的电力安全检测具有重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种基于激发态原子在工频电场下的斯塔克效应发生能级周期性移动的电场探测方法和装置。
本发明所采用的技术方案是：基于多光束激光光谱技术工频电场测量方法，按照如下的步骤进行
步骤一、将第一激光与第二激光相向且共线入射到碱金属原子蒸汽池中，碱金属蒸汽原子在两束激光共同作用下由基态转移至激发态，第一激光的频率等于碱金属蒸汽原子的基态至中间态的跃迁共振的频率，第二激光的频率等于碱金属蒸汽原子的中间态至激发态的跃迁共振的频率；第二激光在进入碱金属原子蒸汽池前由电光调制器进行调制产生两个边带，两个边带分别与第二激光的中心频率具有±v的频率偏移；
步骤二、采集经碱金属原子蒸汽池出射后的第一激光的信号并将其转化为相应的电信号；对该电信号进行分析，当碱金属原子蒸汽池所在位置没有电场时，采集到的是第一激光单峰吸收光谱的信号，当碱金属原子蒸汽池所在位置存在电场时，电场会导致碱金属原子的激发能级产生斯塔克效应，即激发能级发生分裂，能级的分裂与外界电场强度的关系可以表示为Δv=-1/2·α·E(t)2/ħ，式中Δv 为激发能级在电场作用下发生分裂后的相邻能级之间的能量大小，α为碱金属原子超精细激发态的极化率，E（t）为样品池内光束所在位置的电场强度，对于工频而言为频率为50Hz/60Hz的慢变电场；通过对第二束激光的频率进行扫描，在采集到的信号上观察到具有Stark分裂现象的多峰吸收光谱，由于第二束激光具有±v的频率偏移的两个边带，因此观察到固定频率频移±v处出现重复的分裂光谱，根据±v的值实现相对频率间隔的精确测量，根据吸收光谱获知Δv，结合α就求出电场E的强度；
步骤三、在第一激光入射到碱金属原子蒸汽池前，将第一激光通过空间光调制器产生空间分离的四束平行光束，然后入射到碱金属原子蒸汽池中，通过与工频电场的理论场强的理论计算E=E0/R相比对，其中R是激光束到工频电场发生端的距离，E0是工频电场产生端的场强；四束平行光束的相对位置分别为（x1,y1,z1）、（x2,y2,z2）、（x3,y3,z3）、（x4,y4,z4），与工频电场发生端的三维空间距离分别为R1、R2、R3、R4；获得四束平行光束处的电场E1、E2、E3、E4的强度，用于消除测量背景环境对测量结果的影响，从而获得精确测量值E0。
基于多光束激光光谱技术的工频电场测量装置，第一激光发射装置（1）发射出频率等于碱金属蒸汽原子的基态至中间态的跃迁共振的频率的第一激光，第一激光通过声光调制器（3）实现频率和功率的稳定后被第一50/50分光镜分为两路，第一激光一路进入空间光调制器（5）产生空间分离的四束平行光束入射进第一碱金属原子蒸汽池（4）中，第一激光另一路被反射镜反射后进入电磁屏蔽的第二碱金属原子蒸汽池（7）中；第二激光发射装置（2）发射出频率等于碱金属蒸汽原子的中间态至激发态的跃迁共振的频率的第二激光，第二激光被第二50/50分光镜分为两路，第二激光一路进入电光调制器（8），在该激光中心频率两侧增加了两个边带然后通过第一双色镜入射到第一碱金属原子蒸汽池（4）中，该激光与入射到第一碱金属原子蒸汽池（4）中的第一激光相向且共线，该激光中心频率与碱金属原子蒸汽的第一激发态至激发态的跃迁共振，两个边带分别与该中心频率具有±v的频率偏移，频率v由高精度频率源提供，具有很高的相对频率准确度，通常可以达到mHz精度，第二激光另一路被第二双色镜反射后进入电磁屏蔽的第二碱金属原子蒸汽池（7）中；进入第一碱金属原子蒸汽池（4）中的第一激光出射后被第一双色镜反射后进入四象限探测器（9）中，进入第二碱金属原子蒸汽池（7）中的第一激光出射后通过第二双色镜进入光电探测器（6），光电探测器（6）与四象限探测器（9）电信号连接计算机数据采集和分析系统（10）；当对第二碱金属原子蒸汽池（7）中的第二激光进行扫描时，从光电探测器（6）探测第一激光的功率变化，获得无外场扰动的电磁诱导透明光谱信号，作为第二激光入射到第一碱金属原子蒸汽池（4）中的中心频率基准；当第二激光在第一碱金属原子蒸汽池（4）中扫描时，通过四象限探测器（9）可以分别获得四束平行光束的第一激光功率随第二激光频率的变化情况，也就是获得了四束平行光束的第一激光的光谱信号；在工频电场测量时，由于工频电场引起的原子stark频率移动可以由四束平行光束的第一激光的光谱信号测量获得；由于四束平行光束的第一激光的空间位置可以精确测量，当测量工频电场时，四束激光所在位置处的工频电场相对场强关系可以精确计算获得，此时可以与光电探测器（6）获得的实际测量光谱进行比对，从而可以消除环境对工频电场场强的扰动，减小测量的不确定性；四束激光的光谱中包含边带±v，因此可以实现对stark频率移动的精确测量；光电探测器（6）和四象限探测器（9）的光谱信号进入计算机数据采集和数据分析系统(10)获得工频电场场强和极化方向信息。
本发明的有益效果是：本发明可以消除测量背景环境对测量结果的影响，从而获得精确测量值。
附图说明
图1本发明所述测量装置的结构示意图；
图2四束平行光束的第一激光和第二激光在铯原子样品池中共线的侧视示意图；
图3四束平行光束的第一激光和第二激光在铯原子样品池中共线的截面示意图；
图4四束平行光束的第一激光作用在四象限探测器的示意图；
图5激发态的电磁诱导透明光谱图（图中实线是无工频电场作用的电磁诱导透明光谱；虚线是工频电场作用下电磁诱导透明光谱，由于工频电场频率通常为50/60Hz，因此实际测量中虚线中峰值的位置将发生周期性变化）；
其中，1、第一激光发射装置，2、第二激光发射装置，3、声光调制器，4、第一碱金属原子蒸汽池，5、空间光调制器，6、光电探测器，7、第二碱金属原子蒸汽池，8、电光调制器，9、四象限探测器，10、计算机数据采集和分析系统。
具体实施方式
实施例1
基于多光束激光光谱技术工频电场测量方法，按照如下的步骤进行
步骤一、将第一激光与第二激光相向且共线入射到碱金属原子蒸汽池中，碱金属蒸汽原子在两束激光共同作用下由基态转移至激发态，第一激光的频率等于碱金属蒸汽原子的基态至中间态的跃迁共振的频率，第二激光的频率等于碱金属蒸汽原子的中间态至激发态的跃迁共振的频率；第二激光在进入碱金属原子蒸汽池前由电光调制器进行调制产生两个边带，两个边带分别与第二激光的中心频率具有±v的频率偏移，此时激发态的电磁诱导透明光谱如图5中实线所示，通过电光相位调制器的驱动频率±v可以准确对光谱间隔进行标定；此时当铯原子样品池处于工频电场环境下，电磁诱导透明光谱发生移动，如图5中虚线所示，通过准确测量光谱的频率移动Δv，可以利用公式Δv=-1/2·α·E(t)2/ħ对光束所在位置处的E(t)进行计算；第一激光的频率等于133Cs的基态 6S1/2 Fg=4到第一激发态6P3/2 Fe=5的共振跃迁频率，第二激光的频率在 6P3/2 Fe=5 到激发态20S1/2的共振跃迁频率附近扫描，第一激光和第二激光在铯原子(133Cs)的第一碱金属原子蒸汽池4和第二碱金属原子蒸汽池7内共线且传输方向相反，构成阶梯型三能级系统；当第二激光频率扫描时，第一激发光作为探测光，可以获得铯激发态原子的电磁诱导透明光谱。
步骤二、采集经碱金属原子蒸汽池出射后的第一激光的信号并将其转化为相应的电信号；对该电信号进行分析，当碱金属原子蒸汽池所在位置没有电场时，采集到的是第一激光单峰吸收光谱的信号，当碱金属原子蒸汽池所在位置存在电场时，电场会导致碱金属原子的激发能级产生斯塔克效应，即激发能级发生分裂，能级的分裂与外界电场强度的关系可以表示为Δv=-1/2·α·E(t)2/ħ，式中Δv 为激发能级在电场作用下发生分裂后的相邻能级之间的能量大小，α为碱金属原子超精细激发态的极化率，E（t）为样品池内光束所在位置的电场强度，对于工频而言为频率为50Hz/60Hz的慢变电场；通过对第二束激光的频率进行扫描，在采集到的信号上观察到具有Stark分裂现象的多峰吸收光谱，由于第二束激光具有±v的频率偏移的两个边带，因此观察到固定频率频移±v处出现重复的分裂光谱，根据±v的值实现相对频率间隔的精确测量，根据吸收光谱获知Δv，结合α就求出电场E的强度；
步骤三、在第一激光入射到碱金属原子蒸汽池前，将第一激光通过空间光调制器产生空间分离的四束平行光束，然后入射到碱金属原子蒸汽池中，通过与工频电场的理论场强的理论计算E=E0/R相比对，其中R是激光束到工频电场发生端的距离，E0是工频电场产生端的场强；四束平行光束的相对位置分别为R1（x1,y1,z1）、R2（x2,y2,z2）、R3（x3,y3,z3）、R4（x4,y4,z4），与工频电场发生端的三维空间距离分别为R1、R2、R3、R4；此时利用理想情况下工频电场辐射场公式E=β*E0/R，获得四束平行光束处的电场E1、E2、E3、E4的强度，用于消除测量背景环境对测量结果的影响，从而获得精确测量值E0。
实施例2
基于多光束激光光谱技术的工频电场测量装置，包括第一激光发射装置1、第二激光发射装置2、声光调制器3、第一碱金属原子蒸汽池4、空间光调制器5、光电探测器6、电磁屏蔽的第二碱金属原子蒸汽池7、电光调制器8、四象限探测器9、计算机数据采集和分析系统10、两块50/50分光镜、一块反射镜、两块双色镜（使一定频率的光反射一定频率的光透射），第一激光发射装置1发射出频率等于碱金属蒸汽原子的基态至中间态的跃迁共振的频率的第一激光（第一碱金属原子蒸汽池4和电磁屏蔽的第二碱金属原子蒸汽池7内部都充有133Cs蒸汽），第一激光通过声光调制器3实现频率和功率的稳定后被第一50/50分光镜分为两路，第一激光一路进入空间光调制器5产生空间分离的四束平行光束入射进第一碱金属原子蒸汽池4中，第一激光另一路被反射镜反射后进入电磁屏蔽的第二碱金属原子蒸汽池7中；第二激光发射装置2发射出频率等于碱金属蒸汽原子的中间态至激发态的跃迁共振的频率的第二激光，第二激光被第二50/50分光镜分为两路，第二激光一路进入电光调制器8，在该激光中心频率两侧增加了两个边带然后通过第一双色镜入射到第一碱金属原子蒸汽池4中，该激光与入射到第一碱金属原子蒸汽池4中的第一激光相向且共线，该激光中心频率与碱金属原子蒸汽的第一激发态至激发态的跃迁共振，两个边带分别与该中心频率具有±v的频率偏移，频率v由高精度频率源提供，具有很高的相对频率准确度，通常可以达到mHz精度，第二激光另一路被第二双色镜反射后进入电磁屏蔽的第二碱金属原子蒸汽池7中；进入第一碱金属原子蒸汽池4中的第一激光出射后被第一双色镜反射后进入四象限探测器9中，进入第二碱金属原子蒸汽池7中的第一激光出射后通过第二双色镜进入光电探测器6，光电探测器6与四象限探测器9电信号连接计算机数据采集和分析系统10；当对第二碱金属原子蒸汽池7中的第二激光进行扫描时，从光电探测器6探测第一激光的功率变化，获得无外场扰动的电磁诱导透明光谱信号，作为第二激光入射到第一碱金属原子蒸汽池4中的中心频率基准；当第二激光在第一碱金属原子蒸汽池4中扫描时，通过四象限探测器9可以分别获得四束平行光束的第一激光功率随第二激光频率的变化情况，也就是获得了四束平行光束的第一激光的光谱信号；在工频电场测量时，由于工频电场引起的原子stark频率移动可以由四束平行光束的第一激光的光谱信号测量获得；由于四束平行光束的第一激光的空间位置可以精确测量，当测量工频电场时，四束激光所在位置处的工频电场相对场强关系可以精确计算获得，此时可以与光电探测器6获得的实际测量光谱进行比对，从而可以消除环境对工频电场场强的扰动，减小测量的不确定性；四束激光的光谱中包含边带±v，因此可以实现对stark频率移动的精确测量；光电探测器6和四象限探测器9的光谱信号进入计算机数据采集和数据分析系统10获得工频电场场强和极化方向信息。所述的高灵敏光电探测器采用滨松公司生产的C5331雪崩二极管光电探测器，具有很大的探测带宽和探测灵敏度。通过四束平行光束的第一激光的光谱峰的频率移动，可以获得四束平行光束的第一激光所在位置处的工频场强空间分布特征，通过与工频电场的理论场强的理论计算E=E0/R相比对，其中R是激光束到工频电场发生端的距离，E0是工频电场产生端的场强；本发明中所用光束直径小于200微米，远小于原子蒸汽池的尺寸，因此本发明设计使用4对第一激光光束，可实现空间分离的四个光束的二维测量，用四象限光电探测器可以实时获得空间分布的信息，通过与工频电场远场空间场强的理论计算E=E0/R相比对，其中R是激光束到工频电场发生端的距离，E0是工频电场发生端处的场强；四个光束的相对位置分别为（x1,y1,z1）、（x2,y2,z2）（x3,y3,z3）（x4,y4,z4），与工频电场发生端的三维空间距离分别为R1、R2、R3、R4；这时利用本方法的高灵敏和空间高分辨率获得四个光束处的场强分布，用于消除测量背景环境对测量结果的影响，从而获得精确测量值。

Claims (2)

1.基于多光束激光光谱技术工频电场测量方法，其特征在于：按照如下的步骤进行
步骤一、将第一激光与第二激光相向且共线入射到碱金属原子蒸汽池中，碱金属蒸汽原子在两束激光共同作用下由基态转移至激发态，第一激光的频率等于碱金属蒸汽原子的基态至中间态的跃迁共振的频率，第二激光的频率等于碱金属蒸汽原子的中间态至激发态的跃迁共振的频率；第二激光在进入碱金属原子蒸汽池前由电光调制器进行调制产生两个边带，两个边带分别与第二激光的中心频率具有±v的频率偏移；
步骤二、采集经碱金属原子蒸汽池出射后的第一激光的信号并将其转化为相应的电信号；对该电信号进行分析，当碱金属原子蒸汽池所在位置没有电场时，采集到的是第一激光单峰吸收光谱的信号，当碱金属原子蒸汽池所在位置存在电场时，电场会导致碱金属原子的激发能级产生斯塔克效应，即激发能级发生分裂，能级的分裂与外界电场强度的关系可以表示为Δv=-1/2·α·E(t)2/ħ，式中Δv 为激发能级在电场作用下发生分裂后的相邻能级之间的能量大小，α为碱金属原子超精细激发态的极化率，E（t）为样品池内光束所在位置的电场强度，对于工频而言为频率为50Hz/60Hz的慢变电场；通过对第二束激光的频率进行扫描，在采集到的信号上观察到具有Stark分裂现象的多峰吸收光谱，由于第二束激光具有±v的频率偏移的两个边带，因此观察到固定频率频移±v处出现重复的分裂光谱，根据±v的值实现相对频率间隔的精确测量，根据吸收光谱获知Δv，结合α就求出电场E(t)的强度；
步骤三、在第一激光入射到碱金属原子蒸汽池前，将第一激光通过空间光调制器产生空间分离的四束平行光束，然后入射到碱金属原子蒸汽池中，通过与工频电场的理论场强的理论计算E=E0/R相比对，其中R是激光束到工频电场发生端的距离，E0是工频电场产生端的场强；四束平行光束的相对位置分别为（x1,y1,z1）、（x2,y2,z2）、（x3,y3,z3）、（x4,y4,z4），与工频电场发生端的三维空间距离分别为R1、R2、R3、R4；获得四束平行光束处的电场E1、E2、E3、E4的强度，用于消除测量背景环境对测量结果的影响，从而获得精确测量值E0。
2.基于多光束激光光谱技术的工频电场测量装置，其特征在于：第一激光发射装置（1）发射出频率等于碱金属蒸汽原子的基态至中间态的跃迁共振的频率的第一激光，第一激光通过声光调制器（3）实现频率和功率的稳定后被第一50/50分光镜分为两路，第一激光一路进入空间光调制器（5）产生空间分离的四束平行光束入射进第一碱金属原子蒸汽池（4）中，第一激光另一路被反射镜反射后进入电磁屏蔽的第二碱金属原子蒸汽池（7）中；第二激光发射装置（2）发射出频率等于碱金属蒸汽原子的中间态至激发态的跃迁共振的频率的第二激光，第二激光被第二50/50分光镜分为两路，第二激光一路即第二激光的第一路激光进入电光调制器（8），在第二激光的第一路激光中心频率两侧增加了两个边带然后通过第一双色镜入射到第一碱金属原子蒸汽池（4）中，第二激光的第一路激光与入射到第一碱金属原子蒸汽池（4）中的第一激光相向且共线，第二激光的第一路激光中心频率与碱金属原子蒸汽的第一激发态至激发态的跃迁共振，两个边带分别与该中心频率具有±v的频率偏移，频率v由高精度频率源提供，具有高的相对频率准确度，可以达到mHz精度，第二激光另一路被第二双色镜反射后进入电磁屏蔽的第二碱金属原子蒸汽池（7）中；进入第一碱金属原子蒸汽池（4）中的第一激光出射后被第一双色镜反射后进入四象限探测器（9）中，进入第二碱金属原子蒸汽池（7）中的第一激光出射后通过第二双色镜进入光电探测器（6），光电探测器（6）与四象限探测器（9）电信号连接计算机数据采集和分析系统（10）；当对第二碱金属原子蒸汽池（7）中的第二激光进行扫描时，从光电探测器（6）探测第一激光的功率变化，获得无外场扰动的电磁诱导透明光谱信号，作为第二激光入射到第一碱金属原子蒸汽池（4）中的中心频率基准；当第二激光在第一碱金属原子蒸汽池（4）中扫描时，通过四象限探测器（9）可以分别获得四束平行光束的第一激光功率随第二激光频率的变化情况，也就是获得了四束平行光束的第一激光的光谱信号；在工频电场测量时，工频电场引起的原子stark频率移动由四束平行光束的第一激光的光谱信号测量获得；四束平行光束的第一激光的空间位置可以精确测量，当测量工频电场时，四束激光所在位置处的工频电场相对场强关系通过公式E=E0/R精确计算获得，其中R是激光束到工频电场发生端的距离，E0是工频电场产生端的场强，E为四束激光所在位置处的工频电场相对场强，此时可以与光电探测器（6）获得的实际测量光谱进行比对，从而可以消除环境对工频电场场强的扰动，减小测量的不确定性；四束激光的光谱中包含边带±v，因此可以实现对stark频率移动的精确测量；光电探测器（6）和四象限探测器（9）的光谱信号进入计算机数据采集和数据分析系统(10)获得工频电场场强和极化方向信息。
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"基于里德堡原子EIT_AT效应的微波电场测量";杨文广;《中国优秀硕士学位论文全文数据库（信息科技辑）》;20170615(第6期);I135-1 *

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