CN114414905B - 一种基于悬浮微粒测量电场的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于悬浮微粒测量电场的方法及装置。本发明将悬浮的微纳颗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。本发明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。因此，本发明通过悬浮微粒谐振子，提供了一种原位、无损、高探测灵敏度、高空间分辨率的测量矢量电场的方法和装置。

Description

一种基于悬浮微粒测量电场的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于悬浮微粒测量电场的方法及装置。

背景技术

电场是描述电磁场最基本的物理量，在许多领域有着广泛的应用与意义。射频电场是现代通信的基础，同时也在遥感技术、物理研究、医学科学等领域具有广泛的应用。在电力系统中，精确测得电气设备周围的电场对电力系统的安全与稳定运行有着非常重要的意义。通过电场可以检测“接触电压（contact voltages）”，这是由于布线的绝缘问题导致的无意中通电的导体，是许多城市一个重要的环境安全问题。此外。随着现代工业的发展，射频电场的强度和密度大幅度增高，会影响一些昆虫等动物的行为。因此，对电场的检测，特别是弱电场的精密测量具有现实意义。

目前的电场测量主要有金刚石NV色心固态自旋测量、里德堡原子（Rydbergatoms）测量、天线耦合无源电子器件测量、以及电光晶体测量等方法。

天线耦合电路的电场测量灵敏度较低，在1~10 V/m/Hz^1/2范围；电光晶体的探测灵敏度可以达到10^-3 V/m/Hz^1/2，但是只能探测某一个方向上的电场；金刚石NV色心和里德堡原子法的探测灵敏度与原子能级有关，最佳探测频段集中在微波频段以及GHz-THz频段。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提出一种基于悬浮微粒测量电场的方法及装置。

本发明实现发明目的的技术方案如下：

一种基于悬浮微粒测量电场的方法，

1）捕获微粒并悬浮微粒；

2）调节悬浮微粒所带的电荷量；

3）测得悬浮微粒的电荷数N；

4）将悬浮微粒放置于待测电场中，测得悬浮微粒在电场作用下的位移功率谱密度响应

，得到电场力F _el ；

5）根据公式E=F _el /Nq _e ，得到电场强度。

所述的微粒为质量已知的标准光学均匀介质球，形状为球型，材料是二氧化硅。

步骤1）捕获微粒并悬浮微粒的方式包括光悬浮、磁悬浮或者电悬浮。

步骤2）调节微粒带电量的方式包括紫外光激发或者高压电晕放电；

步骤3）测量微粒带电量的方式为，在一对平行电极上施加频率为ω _dr 的交流驱动电压，以形成交变电场，悬浮微粒的位置处于电场覆盖范围内；

通过解调ω _dr 处的信号获得悬浮微粒对电场力的响应幅值，根据该响应值的变化即可测出微粒所带的电荷数N。

步骤1）采用光悬浮微粒，电场探测的灵敏度在谐振子的谐振频率处最优，理论灵敏度

由热噪声限和微粒的带电量决定：

，其中k _B 为玻尔兹曼常数，T为开尔文温度，m为微粒的质量，Γ为阻尼率。

步骤4）将悬浮微粒的运动进行正交分解，分别探测出三个轴向的电场分量并进行叠加，从而实现矢量电场的探测。

所述的微粒的尺寸为百纳米级，振动幅度为数个纳米，可探测电场的空间分辨率达百纳米级。

一种基于悬浮微粒测量电场的装置，用于实施所述的基于悬浮微粒测量电场的方法，所述装置包括高压直流电源、裸线电极、真空腔、捕获光激光器、物镜、平行电极、收集透镜、四象限光电探测器、锁相放大器、信号发生器、功率放大器；

其中，所述高压直流电源、所述捕获光激光器、所述四象限光电探测器、所述锁相放大器、所述信号发生器、所述功率放大器外置于所述真空腔，所述裸线电极、所述物镜、所述平行电极及所述收集透镜收容于所述真空腔内，微粒设置于所述平行电极的两个电极之间，且所述微粒设置于所述物镜和所述收集透镜之间，所述物镜与所述收集透镜相对而设，所述物镜与所述收集透镜的连线与所述平行电极的两个电极的连线相交，所述四象限光电探测器与所述锁相放大器电连接，所述信号发生器产生谐振信号，谐振信号经过功率放大器加载到平行电极上形成交变电场；

捕获光激光器出射捕获激光，所述捕获激光入射至所述真空腔内并经过物镜进行聚焦形成捕获光场，在真空腔中捕获微粒；高压直流电源通过两根裸线电极在真空腔内进行电晕放电，实现微粒所带电荷量的调控，捕获光场经过微粒形成的散射光，所述散射光经过收集透镜出射至所述真空腔的外部，并被四象限光电探测器收集，所述四象限光电探测器将收集的光信号传递至锁相放大器，所述锁相放大器用于根据所述光信号确定所述微粒所处位置的电场强度。

所述真空腔的腔壁横截面呈圆形，所述腔壁上对应所述捕获光激光器的位置设有第一开口，所述腔壁上对应所述四象限光电探测器设有第二开口，所述捕获光激光器出射捕获激光通过所述第一开口入射至所述真空腔内，所述散射光经过收集透镜后通过所述第二开口出射至所述真空腔的外部；和／或，所述平行电极的其中一个电极经功率放大器与所述信号发生器电连接，另一个电极与所述真空腔的外部地连接部连接。

本发明的有益效果

本发明通过悬浮带电微粒，提供了一种高灵敏度、高时空分辨率、低频段宽谱的矢量电场探测的方法和装置。

通过对光阱中悬浮的带电微粒施加交变电场，获得其位移功率谱和力学检测灵敏度谱，即可测出微粒所处位置的电场强度。力学检测灵敏度越高，电场探测的灵敏度就越高。借助光悬浮谐振子的高灵敏力学检测性能及纳米尺寸的悬浮微粒，可以实现电场探测的高灵敏度和纳米尺度的高空间分辨率。使用光阱悬浮带电微粒可以探测DC-MHz范围内的电场强度，实现高时间分辨率和低频段宽谱检测性能。此外，将微粒的运动分解，可分别获得三个正交方向上的电场强度，从而实现电场的矢量探测。

附图说明

图1为本发明所述的方法的一种流程示意图。

图2为微粒电荷量的调控过程示意图。

图3为电场作用下x轴向的位移功率谱密度图。

图4为本发明所述的装置的一种结构示意图。

图中，高压直流电源1、裸线电极2、真空腔3、捕获光激光器4、物镜5、微粒6、平行电极7、收集透镜8、四象限光电探测器9、锁相放大器10、信号发生器11、功率放大器12。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行进一步阐述。

一种基于悬浮微粒测量电场的方法及装置，所述方法的流程示意图如图1所示：

1）利用光阱捕获真空腔中的微粒并悬浮微粒；

2）通过高压电晕放电，使悬浮微粒带上一定数量的电荷，多次进行电晕放电操作可调整悬浮微粒所带的电荷量；

3）通过平行电极对悬浮微粒施加交变电场，解调出悬浮微粒在电场频率处的响应信号，根据其幅值测出微粒所带的电荷数；

4）通过探测悬浮微粒在电场作用下运动的位移功率谱密度，得到悬浮微粒所受的电场力；

5）通过悬浮微粒所带的电荷量，得到悬浮微粒所在位置处的电场强度。

所述的微粒为光学均匀介质球，微粒的标称直径为150 nm，形状为球型，材料是二氧化硅。

所述的电晕放电利用电极对真空腔内的空气施加1kV左右的高压，在电晕放电过程中产生等离子体。等离子体中的电子和正离子会在高压电场的作用下往相反的方向分离，吸附在微粒表面，从而改变微粒的带电量。撤去高压信号可停止电晕放电，微粒上的电荷数可以稳定地保持住。多次进行放电过程，可以调整微粒所带的电荷量。

所述的平行电极结构由两根水平放置的钢针构成，钢针的间距为2.5 mm左右。其中一个电极连接经过功率放大后的正弦信号，另一个电极接地。

所述的测量微粒所带的电荷量过程，首先通过电极施加频率为ω _dr 的驱动电压形成交变电场，然后通过锁相放大器解调出在ω _dr 处的响应信号，经过多次放电过程可得到类似台阶的幅值信号（如图2所示）。台阶之间的最小差值即为单个电荷所引起的幅值响应，根据此可以测得微粒所得的电荷数N。图2中，提取x轴在频率为ω _dr 的驱动电压下的响应。最小的台阶差异即为单个电荷q _e 引起的响应，在多次放电过程中微粒的带电量在0~5个q _e 之间变化，最终微粒所带的电荷量为4q _e 。

所述的电场探测方法，假设上述的平行电极放置于x轴方向（垂直于光轴的水平方向），在电极上施加幅值为U _dr 、频率为ω _dr 的电压信号，则会在微粒所处位置产生交变电场。电场可以写成三个轴向上的正交分量，分别在微粒的三轴位移信号上产生驱动响应。以x轴为例，在电场分量的驱动下，可以测量出微粒在x轴方向驱动频率ω _dr 处的位移功率谱密度（PSD）

，根据郎之万方程可以进一步求得微粒在x轴向上所受电场力为F _el-x 。而电场力的幅值正比于微粒的带电量N，则x轴向的电场强度可利用驱动频率处的PSD响应得到：E _x =F _el-x /Nq _e 。其中N为微粒所带电荷数，q _e 为单个电荷的电量。如图3所示，在谐振频率附近选取一个频率点，测量该频率处的电场驱动响应

，利用上式即可计算测到该点的电场分量。另外两个轴向的电场分量计算也采用同样的方法。

所述的电场探测方法，其对于光悬浮谐振子，电场力可视为一种具有通用特性的外力，其理论力探测灵敏度可以通过热噪声力探测灵敏度

得到，其中k _B 为玻尔兹曼常数，T为开尔文温度，m为微粒的质量，Γ为阻尼率。利用电场力与电场强度和电荷量N的线性关系，我们可以直接得到热噪声限的电场探测理论灵敏度：

。

所述的电场探测方法，悬浮微粒的尺寸为百纳米级，其在光阱中的振动幅度为纳米级，因此该电场探测方法可获得百纳米量级的高空间分辨率。

所述的电场探测方法，将三个轴向的电场分量进行矢量相加，即可得到微粒所在位置处的矢量电场值。

如图2所示，利用锁相放大器提取x轴在频率为ω _dr 的电压驱动下的响应信号。最小的台阶差异即为单个电荷q _e 引起的响应，微粒的带电量随着多次的放电过程而变化，250 s后微粒所带的电荷量为4q _e 。

如图3所示，为10 mbar气压下电场驱动x轴向的位移功率谱密度。微粒带电荷量为4q _e ，施加的电压幅值U _dr =5 V，频率ω _dr =140 kHz。图中可见140 kHz处的尖峰即为电场驱动引起的响应，通过

可实现出x轴向的电场探测。

如图4所示，一种基于悬浮微粒测量电场的装置，用于实施所述的基于悬浮微粒测量电场的方法，所述装置包括高压直流电源1、裸线电极2、真空腔3、捕获光激光器4、物镜5、平行电极7、收集透镜8、四象限光电探测器9、锁相放大器10、信号发生器11、功率放大器12；其中，所述高压直流电源1、所述捕获光激光器4、所述四象限光电探测器9、所述锁相放大器10、所述信号发生器11、所述功率放大器12外置于所述真空腔3，所述裸线电极2、所述物镜5、所述平行电极7及所述收集透镜8收容于所述真空腔3内，微粒6设置于所述平行电极7的两个电极之间，且所述微粒6设置于所述物镜5和所述收集透镜8之间，所述物镜5与所述收集透镜8相对而设，所述物镜5与所述收集透镜8的连线与所述平行电极7的两个电极的连线相交，所述四象限光电探测器9与所述锁相放大器10电连接，所述信号发生器11产生谐振信号，谐振信号经过功率放大器12加载到平行电极7上形成交变电场；捕获光激光器4出射捕获激光，所述捕获激光入射至所述真空腔3内并经过物镜5进行聚焦形成捕获光场，在真空腔3中捕获微粒6；高压直流电源1通过两根裸线电极2在真空腔3内进行电晕放电，实现微粒6所带电荷量的调控，捕获光场经过微粒6形成的散射光，所述散射光经过收集透镜8出射至所述真空腔3的外部，并被四象限光电探测器9收集，所述四象限光电探测器9将收集的光信号传递至锁相放大器10，所述锁相放大器10用于根据所述光信号确定所述微粒6所处位置的电场强度。

所述真空腔3的腔壁横截面呈圆形，所述腔壁上对应所述捕获光激光器4的位置设有第一开口，所述腔壁上对应所述四象限光电探测器9设有第二开口，所述捕获光激光器4出射捕获激光通过所述第一开口入射至所述真空腔3内，所述散射光经过收集透镜8后通过所述第二开口出射至所述真空腔3的外部；和／或，所述平行电极7的其中一个电极经功率放大器12与所述信号发生器11电连接，另一个电极与所述真空腔3的外部地连接部连接。

应用实施例一

下面给出一个具体的实施例对本发明的电场测量方法予以说明。

捕获光激光器4可采用1064 nm单模激光器；待捕获的微粒6选用标称直径为150nm的二氧化硅微球样品；高压直流电源1可输出1 kV电压，裸线电极2可采用漆包线，并去除其末端的绝缘外皮使导体部分裸露；平行电极7由两根水平放置的钢针构成，间距为2.5mm；运放12可输出50倍放大的正弦信号。设定z轴为光轴方向，x轴为垂直于光轴的水平方向。

实施步骤：

1）打开1064 nm捕获光激光器，在真空腔中形成稳定的捕获光场，将二氧化硅微球送入真空腔，等待光场捕获悬浮微粒；

2）对未施加电驱动信号的功率谱密度进行洛伦兹拟合，得到电压-位移转换系数c _x ，谐振频率ω _x ，以及阻尼率Γ _x 。

3）开启高压电源持续2s，在漆包线末端通过电晕放电使微粒带上电荷；

4）信号发生器产生驱动信号，为提高精度，信号频率ω _dr 选择接近ω _x 的值，经过运放加载到平行电极上，在x轴向形成交变电场；

5）利用锁相放大器提取x轴在频率为ω _dr 的驱动电压下的响应信号。如图2所示，重复放电过程可以更改微粒电荷量。确定最小台阶差异后，最后微粒所带电荷量为4q _e 。

6）使用锁相放大器测出在驱动电场作用下微粒的运动功率谱密度。气压为10mbar下，x轴向的位移功率谱密度如图3所示，微粒带电荷量为4q _e ，施加的驱动电压幅值U _dr =5 V，频率ω _dr =140 kHz，

。根据步骤2）得到的各个参数值，可以得到微粒在x轴向所受的电场力为F _{el_x} =1.8573 N。根据微粒的带电量，可以得到微粒所在位置处x轴向的电场强度为

。

应用实施例二

下面给出一个具体的实施例对本发明的电场探测灵敏度予以说明。

调节实施一所描述的微粒的带电量，使其携带电荷数N=59，通过热噪声限的力探测灵敏度

，以及电场力与电场强度和电荷量的线性关系，可以直接得到热噪声限的电场探测灵敏度（即理论灵敏度）。其中k _B 为玻尔兹曼常数，T为开尔文温度，m为微粒的质量，Γ为阻尼率。对于上述微粒，在0.01 mbar下，T=431±87 K，阻尼率

=19.8±2.1 Hz，质量m=2.988 fg，可以得到其电场探测灵敏度

。

根据上述分析，改善热噪声限力探测灵敏度以及提高微粒的带电量可以获得更优秀的电场探测灵敏度。在2.4×10^-6 mbar气压下，借助反馈冷却可以在谐振频率处获得4.39×10⁻²⁰ N/Hz^1/2的热噪声限力探测灵敏度，在非谐振频率处可以获得10^-17 N/Hz^1/2量级的力探测灵敏度。那么对于N=59的带电微粒，电场探测的理论灵敏度可达到10^-3 V/m/Hz^1/2量级，实际灵敏度可达到1 V/m/Hz^1/2量级。

应用实施例三

本发明所述的电场探测方法可用于磁悬浮谐振子系统。

磁悬浮谐振子的磁力阱通常由两个Sm-Co永磁体和四个铁钴合金磁极构成，可创建一个三维势阱以稳定地捕获抗磁性粒子。由于磁极为金属材料，因此可以用作施加电场的电极。磁悬浮谐振系统的装置结构与图4相同，磁极7在产生磁力阱的同时也可以施加电场。捕获微粒捕获光激光器4可采用660 nm单模激光器；待捕获的微粒6选用标称直径为60μm的硼硅酸盐玻璃微球；高压直流电源1可输出1 kV电压，裸线电极2可采用漆包线，并去除其末端的绝缘外皮使导体部分裸露；运放12可输出50倍放大的正弦信号。设定z轴为光轴方向，x轴为垂直于光轴的水平方向。

实施步骤：

1）将微球送入真空腔，等待磁力阱捕获悬浮微粒；

2）打开660 nm激光器，在真空腔中形成探测光路；

3）对未施加电驱动信号的功率谱密度进行洛伦兹拟合，得到电压-位移转换系数c _x ，谐振频率ω _x ，以及阻尼率Γ _x 。

4）开启高压电源持续2s，在漆包线末端通过电晕放电使微粒带上电荷；

5）信号发生器产生驱动信号，信号频率ω _dr 选择接近ω _x 的值，经过运放加载到磁极上，在x轴向形成交变电场；

6）利用锁相放大器提取x轴在频率为ω _dr 的驱动电压下的响应信号。重复放电过程可以更改微粒电荷量，最后微粒所带电荷量为59q _e 。

7）采用磁悬浮谐振子，在1.333×10^-7 mbar气压下，可以获得3.6×10⁻⁸ g/Hz^1/2的加速度探测灵敏度。悬浮微粒的质量为2.5×10⁻¹⁰ kg，可获得9×10^-18 N/Hz^1/2的力探测灵敏度。那么对于N=59的带电微粒，电场探测的灵敏度可达到0.95 V/m/Hz^1/2量级。

应用实施例四

对三个轴向的电场进行矢量相加，可以探测微粒所在位置处的矢量电场。由于微粒的尺寸很小，可以获得纳米级的电场探测空间分辨率。通过阵列多光阱技术对多个微粒进行悬浮，即全息光镊技术，可以实现对电场的多位点矢量探测。通过全息光镊对多个微粒的操控，可以实现电场空间分布的高分辨率探测。

最后所应说明的是，以上实施例和阐述仅用以说明本发明的技术方案而非进行限制。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，不脱离本发明技术方案公开的精神和范围的，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之中。

Claims (10)

1.一种基于悬浮微粒测量电场的方法，其特征在于，

1）捕获微粒并悬浮微粒；

2）调节悬浮微粒所带的电荷量；

3）测得悬浮微粒的电荷数N；

4）将悬浮微粒放置于待测电场中，测得悬浮微粒在电场作用下的位移功率谱密度响应

，得到电场力F _el ；

5）根据公式E=F _el /Nq _e ，得到电场强度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的微粒为质量已知的标准光学均匀介质球，形状为球型，材料是二氧化硅。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1）捕获微粒并悬浮微粒的方式包括光悬浮、磁悬浮或者电悬浮。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2）调节微粒带电量的方式包括紫外光激发或者高压电晕放电。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3）测量微粒带电量的方式为，在一对平行电极上施加频率为ω _dr 的交流驱动电压，以形成交变电场，悬浮微粒的位置处于电场覆盖范围内；

通过解调ω _dr 处的信号获得悬浮微粒对电场力的响应幅值，根据该响应幅 值的变化即可测出微粒所带的电荷数N。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1）采用光悬浮微粒，电场探测的灵敏度在谐振子的谐振频率处最优，理论灵敏度

由热噪声限和微粒的带电量决定：

，其中k _B 为玻尔兹曼常数，T为开尔文温度，m为微粒的质量，Γ为阻尼率。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4）将悬浮微粒的运动进行正交分解，分别探测出三个轴向的电场分量并进行叠加，从而实现矢量电场的探测。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的微粒的尺寸为百纳米级，振动幅度为数个纳米，可探测电场的空间分辨率达百纳米级。

9.一种基于悬浮微粒测量电场的装置，用于实施权利要求1-8任一项所述的基于悬浮微粒测量电场的方法，其特征在于，所述装置包括高压直流电源（1）、裸线电极（2）、真空腔（3）、捕获光激光器（4）、物镜（5）、平行电极（7）、收集透镜（8）、四象限光电探测器（9）、锁相放大器（10）、信号发生器（11）、功率放大器（12）；

其中，所述高压直流电源（1）、所述捕获光激光器（4）、所述四象限光电探测器（9）、所述锁相放大器（10）、所述信号发生器（11）、所述功率放大器（12）外置于所述真空腔（3），所述裸线电极（2）、所述物镜（5）、所述平行电极（7）及所述收集透镜（8）收容于所述真空腔（3）内，微粒（6）设置于所述平行电极（7）的两个电极之间，且所述微粒（6）设置于所述物镜（5）和所述收集透镜（8）之间，所述物镜（5）与所述收集透镜（8）相对而设，所述物镜（5）与所述收集透镜（8）的连线与所述平行电极（7）的两个电极的连线相交，所述四象限光电探测器（9）与所述锁相放大器（10）电连接，所述信号发生器（11）产生谐振信号，谐振信号经过功率放大器（12）加载到平行电极（7）上形成交变电场；

捕获光激光器（4）出射捕获激光，所述捕获激光入射至所述真空腔（3）内并经过物镜（5）进行聚焦形成捕获光场，在真空腔（3）中捕获微粒（6）；高压直流电源（1）通过两根裸线电极（2）在真空腔（3）内进行电晕放电，实现微粒（6）所带电荷量的调控，捕获光场经过微粒（6）形成的散射光，所述散射光经过收集透镜（8）出射至所述真空腔（3）的外部，并被四象限光电探测器（9）收集，所述四象限光电探测器（9）将收集的光信号传递至锁相放大器（10），所述锁相放大器（10）用于根据所述光信号确定所述微粒（6）所处位置的电场强度。

10.根据权利要求9所述的基于悬浮微粒测量电场的装置，其特征在于，所述真空腔（3）的腔壁横截面呈圆形，所述腔壁上对应所述捕获光激光器（4）的位置设有第一开口，所述腔壁上对应所述四象限光电探测器（9）设有第二开口，所述捕获光激光器（4）出射捕获激光通过所述第一开口入射至所述真空腔（3）内，所述散射光经过收集透镜（8）后通过所述第二开口出射至所述真空腔（3）的外部；和／或，所述平行电极（7）的其中一个电极经功率放大器（12）与所述信号发生器（11）电连接，另一个电极与所述真空腔（3）的外部地连接部连接。

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