Hochempfindliche Messung elektrischer Felder im Weltraum basierend auf einem Mikrofaserinterferometer mit feldkraftgesteuertem Gold-Nanofilm

Jun 02, 2023

Scientific Reports Band 5, Artikelnummer: 15802 (2015) Diesen Artikel zitieren

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Die herkömmliche Erfassung elektrischer Felder kann durch die Verwendung elektrooptischer Materialien oder Flüssigkristalle realisiert werden und weist Einschränkungen hinsichtlich der einfachen Durchschlagskraft, der freien Montage und der schwierigen Messung von Niederfrequenzen auf. Hier schlagen wir eine neue Methode vor, um eine sichere Messung des räumlichen dynamischen elektrischen Feldes mithilfe eines Mikrofaserinterferometers mit integriertem Goldnanofilm zu realisieren. Die Energie der über die Antenne empfangenen elektrischen Ladung bildet das intrinsische elektrische Feld mit zwei Mikroelektroden, von denen eine der 120-nm-Goldfilm-Vibrationsstrahl ist, der durch Femtosekundenlaser mikrobearbeitet und in die Mikrofaser integriert wird. Die Änderung der intrinsischen elektrischen Feldkraft aufgrund des räumlichen elektrischen Feldes führt zu einer Vibration des Filmbalkens. Durch Demodulation des Ausgangssignals des Mikrofaserinterferometers kann das elektrische Feld gemessen werden. Wir demonstrieren die erkennbaren Frequenzbereiche von mehreren zehn Hz bis zu mehreren zehn kHz und die minimale elektrische Feldstärke beträgt ~200 V/m bei 1 kHz. Unsere Technologie zur Messung elektrischer Felder, die optische Faserinterferenz mit Goldnanostrukturen kombiniert, zeigt die Vorteile von Sicherheit, hoher Empfindlichkeit, kompakter Größe und gemultiplexter Mehrpunkt- und Fernerkennung.

Die Erfassung elektrischer Felder ist wichtig für die Verhinderung elektromagnetischer Störungen1, den Spannungsausgleich2,3,4, die Abschirmung elektromagnetischer Nahfeldstrahlung5 und andere spezielle Anwendungen wie die Erkennung von Ladungen6, elektrostatischem Niederschlag7 und dem Konverter von Millimeterwellen-Lichtwellen-Signalen8. Obwohl herkömmliche elektrische Feldsensoren wie gelenkte Elektronen9 (erfassbarer Bereich von mehreren mV/m bis zu Dutzenden von V/m), sphärische elektrische Feldsonden10 (<12 kV/m), bistabile mikroelektronische Schaltungen11 und das dreiachsige elektrische Feld THEMIS B. Instrument12 (mV/m bis mehrere V/m), können in einigen Anwendungen präzise arbeiten, sie können jedoch zusammen mit ihren nachfolgenden Schaltkreisen aufgrund der unvorhersehbar hohen Intensität des elektrischen Felds leicht beschädigt werden und erfordern aktive Geräte, wodurch sie für die Fernerkennung ungeeignet sind. Auch die metallischen Schaltkreise und Signalübertragungskabel sind anfällig für elektromagnetische Störungen.

In den letzten Jahren hat die optische Detektion elektrischer Felder6,13,14,15,16,17,18,19,20,21 zunehmend Aufmerksamkeit erregt. Sie verfügten über gute Eigenschaften wie Fern- und Sicherheitsmessung, passive Komponenten, integrierte Struktur, einfache Vernetzung auf Basis der WDM-Technologie und extrem geringe Störeinflüsse auf die Umgebung und die Quelle elektrischer Felder. Die optischen elektrischen Feldmessungen im Zeitbereich basieren auf zwei Arten von Materialien14,15,16,17,18,19,20,21. Das erste sind elektrooptische (EO) Materialien14,15,16,17,18,19, die hauptsächlich für die Erfassung elektrischer Felder mit HF-Frequenz im MHz- bis GHz-Bereich verwendet werden. Die entsprechenden erfassbaren Bereiche liegen über 2,5 V/m (oder mehrere mW/m2 der minimalen erfassbaren elektromagnetischen Energieflussdichte) für Referenz. 14 und 19 V/m bis 23 kV/m für Referenz. 15, Aufgrund des unregelmäßigen Frequenzgangs, der durch den piezoelektrischen Effekt der EO-Materialien22,23,24,25 oder andere Effekte15,26 verursacht wird, wurde jedoch bei Niederfrequenzanwendungen unter Dutzenden von Kilohertz selten darüber berichtet. Das zweite Material ist Flüssigkristall16,18,20,21, das für die Messung elektrischer Felder bei niedriger Frequenz geeignet ist und die berichteten nachweisbaren Bereiche der elektrischen Feldintensität liegen bei über Dutzenden KV/m (siehe Referenz). 20 und 1 bis 4,1 kV/mm für Referenz. 21.

Angesichts der Tatsache, dass die meisten niederfrequenten elektrischen Feldsensoren im Stromnetz eingesetzt werden, ist es sehr wichtig, eine sichere Messung niederfrequenter elektrischer Felder mit hoher Empfindlichkeit zu realisieren. Zum ersten Mal schlagen wir eine neue Methode zur Herstellung eines Sensors durch die Integration der Antenne und der optischen Faser vor, deren erkennbare Frequenz zwischen mehreren zehn Hz und mehreren zehn kHz liegt. Die minimale erfassbare elektrische Feldstärke beträgt ~200 V/m bei 1 kHz und das Maximum beträgt etwa 5 kV/m entsprechend der Halbwellen-elektrischen Feldstärke. Die Empfindlichkeit kann durch Modifizierung der Struktur und der Parameter der Antenne weiter verbessert werden (die Grenze der minimal erkennbaren elektrischen Feldstärke kann bei einer Länge der Antenne von ~27 mm bis zu ~0,015 V/m betragen). Die Schlüsselkomponente des Sensors ist das mit einem Goldnanofilm integrierte Mikrofaserinterferometer. Die Erfassung erfolgt durch den Mikrobereich im Sensor mit einem starken elektrischen Feld, das durch die Kopplung zwischen der Antenne und dem elektrischen Feld im Weltraum entsteht. Der Gold-Nanofilm kann als Elektrode des Mikrobereichs fungieren, während er sich unter der extrem schwachen elektrostatischen Kraft, die durch das starke elektrische Feld verursacht wird, verformt. Der vom Gold-Nanofilm gebildete Vibrationsstrahl kann der Reflektor des Fabry-Perot (FP)-Interferometers sein. Daher kann die Änderung des elektrischen Raumfelds durch Demodulation der Änderung der Hohlraumlänge des Interferometers unter der elektrostatischen Kraft erfasst werden.

Das Messsystem zur Erfassung des elektrischen Feldes im Nahraum ist in Abb. 1 dargestellt. Das Lichtsignal des abstimmbaren Lasers AQ4321D mit einer Ausgangswellenlänge von 1520–1620 nm und einer Leistung von 0,1–4 mW durchläuft einen Koppler (50:50) und erreicht zum Sensor. Die Änderung des elektrischen Raumfeldes wird durch den Sensor auf das Signallicht moduliert. Und das Signallicht gelangt über denselben Koppler umgekehrt zum Fotodetektor (PDA20C/M, PD). Die Ausgabe des PD wird in die nachfolgenden Signalverarbeitungsgeräte wie den Frequenztransformator, den Verstärker und das Oszilloskop importiert, um die Änderung des elektrischen Raumfelds aufzuzeichnen und zu demodulieren.

Die Schaltpläne der elektrischen Feldmessung.

(a) Versuchsaufbau. (b) Die simulierte Verteilung der elektrischen Feldintensität des Sensorsystems. (c) Die Struktur und die innere elektrische Feldstärke des Sensors. (d) Fotos des Sensors.

Der Aufbau des Sensors ist in Abb. 1c dargestellt. Der Sensor besteht aus zwei Teilen: Der erste Teil ist der eingebaute Plattenkondensator, der aus dem 120-nm-Gold-Nanofilm-Vibrationsbalken und der Endfläche der Metallsonde besteht. Die mit dem Gold-Nanofilm bzw. der Metallsonde verbundenen Metallstäbe bilden die Weltraum-Empfangsantenne für das elektrische Feld. Das eingebaute elektrische Feld des Plattenkondensators entspricht aufgrund des elektrostatischen Induktionseffekts den Verstärkungsergebnissen des elektrischen Raumfelds der Antenne. Der zweite Teil ist das FP-Interferometer, das aus der anderen Seite des Gold-Nanofilm-Schwingungsstrahls und der Endfläche der optischen Faser besteht. Die Änderung des eingebauten elektrischen Feldes des Plattenkondensators hat die Fähigkeit, die Schwingung des Strahls anzutreiben, um so die Modulation des Interferenzsignals des FP-Interferometers zu realisieren.

Zur Ermittlung der geeigneten Betriebswellenlänge wird das Reflexionsspektrum des FP-Interferometers gemessen und in Abb. 2 dargestellt. Wir können sehen, dass das Lichtsignal mit der Amplitude der PD-Ausgangsspannung von 3,9 V bis 0,7 V einen linearen Zusammenhang mit dem hat Wellenlänge von 1536 nm bis 1543 nm mit Steigung Kslope. Die Betriebswellenlänge beträgt 1540,5 nm und die entsprechende Amplitude der Ausgangsspannung beträgt 2,0 V.

Das Reflexionsspektrum des Sensors.

Die Messung erfolgt mit einem Spektrometer (Si720).

Es ist zu beachten, dass bei Abwesenheit eines Magnetfelds nur die Verteilung des elektrischen Feldes im Nahfeld mit niedriger Frequenz berücksichtigt wird. Um die Eigenschaften des Sensors bei der Erfassung elektrischer Felder quantitativ zu beschreiben, haben wir die induzierte elektrische Feldstärke mit verschiedenen Strukturparametern simuliert (siehe Abb. 3). Es ist ersichtlich, dass die elektrische Feldstärke im Spalt zwar groß ist, das elektrische Feld jedoch in einem großen Flächenmaßstab vorhanden ist, was unerwartet und unvermeidlich ist (siehe Abb. 3a). Die zentrale elektrische Feldstärke des Spalts bleibt nahezu unverändert, wenn wir die Größe der Sondenendfläche und des zentralen Vibrationsbalkens anpassen. Dies kann dadurch erklärt werden, dass die induzierte Menge der im Spalt gesammelten elektrischen Ladung nur einen sehr kleinen Teil der Gesamtmenge auf einem viel größeren Flächenmaßstab ausmacht. Mit anderen Worten: Die äquivalente Kapazität innerhalb des Sensors bleibt nahezu unverändert, selbst wenn der Bereich der Endfläche und des zentralen Vibrationsbalkens verändert wird. Daraus lässt sich schließen, dass die elektrische Feldstärke des Spalts Egap unabhängig von der Spaltfläche Sgap, aber proportional zur Amplitude der externen räumlichen elektrischen Feldstärke Eext ist. Die Amplitude der elektrostatischen Kraft ist proportional zum Produkt aus Egap und Sgap. Außerdem ist Egap gemäß Abb. 3c nahezu umgekehrt proportional zur Spaltlänge Lgap. Wir können die Beziehung zwischen der Spitzenwertänderung des Lichtsignals ΔIpeak und der Spitzenintensität des elektrischen Feldes im Außenraum Eextpeak (parallel zur Richtung der Metallstäbe) als Gleichung (1) und (2) ableiten (weitere Einzelheiten finden Sie in den Zusatzinformationen):

Die simulierte Verteilung der elektrischen Feldstärke innerhalb des Sensors.

(a) Verteilung innerhalb des gesamten Sensors. (b) Die Verteilung in der Mittelebene zwischen Vibrationsbalken und Sondenoberfläche. (c) Die Beziehung zwischen der zentralen elektrischen Feldstärke des Spalts und der Spaltlänge.

Dabei ist εgap die relative Induktivität des Spalts (hier ist es 1), ε0 ist die Permittivität des freien Raums, L(Struktur, ε) ist die äquivalente Antennenlänge, die von der Struktur der Antenne (außer der Spaltlänge) und der Isolierung abhängt Verpackungsmaterial sowie deren relative Induktivität ε und Spalt εgap. Die optimale L(Struktur, ε) entspricht ungefähr der Gesamtlänge von zwei Antennenabschnitten, D ist der Steifigkeitsfaktor des Vibrationsstrahls und Lfp ist die Hohlraumlänge des FP-Interferometers (hier sind es 37,4 μm).

Das Experiment mit dem niederfrequenten elektrischen Feld wird im Frequenzbereich von 30 Hz bis 27 kHz mit einer maximalen elektrischen Feldstärke von 3600 Vpp/m durchgeführt. Die experimentellen Ergebnisse sind in Abb. 4 dargestellt. Für die Frequenz unter ~500 Hz gilt: es besteht ein Antwortabfall (siehe Abb. 5) zusammen mit einer äquivalenten Phasendifferenz (siehe Abb. 4a). Es gibt eine Reaktionsspitze bei 19 KHz. Die minimal erkennbare elektrische Feldstärke beträgt ~200 V/m bei 1 kHz. Sie wird gemessen, indem die elektrische Feldstärke verringert wird, bis das optische Signal nicht mehr aus dem Hintergrundrauschen extrahiert werden kann. In unserem Messsystem wird der Testsignalgenerator mit 10-V-Ausgang verwendet, um das Signal über Drähte direkt an die Antennenmasten zu übertragen und so die zuvor verwendete elektrische Feldquelle im Weltraum zu ersetzen. Die in Abb. 5 gezeigten dimensionslosen Werte der Spannungsansteuerempfindlichkeit sind die normalisierten Reihenwerte der Lichtsignaländerung, die erhalten wurden, wenn eine Wobbelfrequenzspannung mit derselben Amplitude an den Sensor angelegt wurde. Das Ergebnis zeigt, dass der Sensor unterhalb von 13 kHz ein flaches Ansprechverhalten (mit sehr kleiner äquivalenter Phasendifferenz) aufweist und die Spitze auch bei 19 kHz (mit großer äquivalenter Phasendifferenz) vorhanden ist.

Die Wellenformen der elektrischen Feldmessung, einschließlich der Eingangsspannungen des Transformators (schwarz), der elektrischen Feldstärken um den Sensor (rot) und der Lichtsignale (blau).

(a) 50 Hz. (b) 500 Hz. (c) 2 kHz. (d) 10 kHz. (e) 19 kHz. (f) 25 kHz.

Die Frequenzeigenschaften der minimal erkennbaren elektrischen Feldstärke, der Spannungsantriebsempfindlichkeit und der elektrischen Feldempfindlichkeit unseres Sensors.

Die Reaktion unseres Sensors ist bei Zwischenfrequenzen von 500 Hz bis 13 kHz flach und bei niedrigen Frequenzen um 0 Hz schwach. Der offensichtliche Reaktionspeak tritt bei einer hohen Frequenz von 19 KHz auf, was verständlich ist, da die inhärente Resonanzfrequenz des Vibrationsstrahls etwa 38 KHz betragen könnte (dies dürfte auch die maximale Modulationsfrequenz des FP-Interferometers für unseren Sensor sein). Wir können die Abnahme der Reaktion bei niedrigen Frequenzen um 0 Hz aus dem Impedanzpunkt erklären. Wenn der Widerstand der Glashülse des Sensors als unendlich angenommen wird, weist der Sensor einen guten Amplitudenfrequenzgang um 0 Hz auf. In Wirklichkeit ist der Widerstand der Glasdurchführung jedoch endlich und sogar kleiner als die kapazitive Reaktanz des Sensors, was angesichts der Parallelschaltung von Widerstand und Kapazität zu einer kleineren Impedanz des Sensors führt. Daher nimmt die stark isolierende Außenluft um 0 Hz viel mehr Spannung ein, als sie an den Sensor abgibt, wenn wir sie entlang der Elektroden der elektrischen Feldquelle in einem Spannungsteilungsmodell betrachten. Der Frequenzgang um 0 Hz kann flach sein, wenn Verpackungsmaterial mit höherem Widerstand verwendet wird. Wir können die Reaktion des Sensors auch aus der Sicht der Phasenbeziehung verstehen. Es ist die Parallelschaltung von Widerstand und Kapazität, die zur Hochpassfilterwirkung des Sensors führt, d. h. im Vergleich zu Eext hat die Phase von Egap eine Phasenvoreilung, während ΔI aufgrund der mechanischen Eigenschaften von eine Phasenverzögerung aufweist der Goldfilm-Vibrationsstrahl. Diese beiden gegensätzlichen Effekte führen dazu, dass die Änderung der Lichtintensität nahezu die gleiche Phase wie die Intensität des elektrischen Feldes bei Zwischenfrequenz aufweist, jedoch bei niedriger Frequenz eine Phasenvoreilung und bei hoher Frequenz eine Phasenverzögerung aufweist (siehe ergänzende Abbildung S2). Wenn man den Vibrationsbalken als Federschwinger betrachtet, kann die Änderung der Lichtintensität wie folgt beschrieben werden:

wobei m und γ die äquivalente Masse bzw. der Dämpfungskoeffizient des Vibrationsbalkens sind. com(fre) ist die Funktion zur gleichzeitigen Kompensation von Amplitude und Frequenz. Wenn die Quelle zur Erzeugung des elektrischen Feldes sichergestellt ist, kann com(fre) anhand von Abb. 5 berechnet werden, nachdem m und γ bestimmt wurden. Da wir in tatsächlichen Anwendungen versuchen, die Periode anstelle des Gleichstromsignals zu messen, besteht keine Notwendigkeit, das nicht modulierte Lichtsignal, das erhebliches Rauschen mit sich brachte, als Bezugspunkt für das elektrische Nullfeld zu verwenden. Stattdessen können wir gemäß der quadratischen Beziehung zwischen ΔI und Eext ein elektrisches Feld mittlerer Intensität und den entsprechenden Ausgangswert der Lichtsignaländerung des Sensors zur Kalibrierung verwenden, um die Intensität des elektrischen Zielfelds herauszufinden.

Basierend auf den Parametern des Sensors liegt die Obergrenze des Frequenzgangs bei ~20 KHz. Die schnellere Lade- und Entladerate im Vergleich zur Verformungsgeschwindigkeit des Balkens, die durch das Vorhandensein einer Spitzenreaktion bei hoher Frequenz impliziert wird, weist darauf hin, dass die Obergrenze der Frequenz weiter erhöht werden kann, indem die Masse des Zentrums des Vibrationsbalkens verringert wird der Hohlraumluftwiderstand (Vakuumisierung) oder die Gestaltung einer Verbindung mit höherem Steifigkeitsfaktor aus Goldfilm. Die minimale erfassbare elektrische Feldstärke beträgt ~200 V/m (bei einer Länge des inneren Spalts von 13 μm) im Frequenzbereich zwischen 1 kHz und 12 kHz, der bei niedrigeren Frequenzen größer, bei höheren Frequenzen jedoch kleiner ist. Dies kann verbessert werden, indem die äußere Größe des Antennenmasts, insbesondere die Länge, vergrößert oder die Länge des Spalts innerhalb des Sensors verringert wird. Es kann geschätzt werden, dass die minimal erkennbare Ablenkung des Vibrationsstrahls entsprechend dem Lichtintensitätsrauschen des Interferometers im Sensor etwa 1 nm beträgt. Wenn die Länge des inneren Spalts auf 1 nm verringert wird, während die Größe der Antenne unverändert bleibt, können wir mit Gleichung (1) berechnen, dass die minimale erkennbare elektrische Feldstärke nur ~0,015 V/m betragen kann (mit dem). Gesamtlänge der Antenne von ~27 mm und die entsprechende Länge von ~13 mm). Was die theoretische Empfindlichkeit betrifft, ist unser Sensor anderen optischen Sensoren überlegen, bei denen die Spaltlänge der Innenelektrode für den Wellenleiter größer als 100 nm sein muss. Die obige Analyse zeigt auch, dass unser Sensor mithilfe der Nanotechnologie weiter auf eine kleinere Größe verkleinert werden könnte. Was die Reaktion auf das niederfrequente elektrische Feld betrifft, wird das Mischmetallverunreinigungsmaterial im elektrischen Feldsensor aus elektrooptischem Material für die Herstellung optischer Wellenleiter verwendet und die Hochfrequenzempfindlichkeit wird verbessert, indem die Reaktion auf das niederfrequente elektrische Feld geopfert wird, die davon abhängt die Isolationsfähigkeit des Sensors. Und der Flüssigkristall-Elektrofeldsensor kann die Niederfrequenzempfindlichkeit nicht durch Erhöhen des Widerstands des Flüssigkristalls verbessern. Im Vergleich dazu gibt es in unserem Sensor einen Luftspalt, der mithilfe eines hohen Isolationswiderstands ein sehr niedriges Frequenzverhalten erzeugen kann. Der Frequenzgang um 0 Hz kann flacher sein, wenn Verpackungsmaterialien mit höherem Widerstand verwendet werden. Außerdem ist es einfacher, das Paket des Sensors mit der Antenne und der optischen Faser zu realisieren. Es besteht kein Zweifel daran, dass unser Sensor aufgrund der hervorragenden Leistung konkurrenzfähig ist.

Darüber hinaus liegt die auf dem Vibrationsbalken erzeugte elektrostatische Kraft je nach interner elektrischer Feldstärke zwischen 10–11 und 10–9 N (siehe Ergänzungsgleichung S(2)). Die maximal berechnete Verformung (die zentrale Auslenkung) kann basierend auf der tatsächlichen Messung der optischen Signalamplitude bis zu einigen hundert Nanometern betragen. Das große elektrische Feld kann jedoch zu einer starken Verformung des Vibrationsstrahls führen, was aufgrund der durch die Änderung von Lgap verursachten Störung von Egap zu einer Verzerrung des optischen Signals führt. Der Vibrationsstrahl kann durch die Vorspannkraft aufgrund des quadratischen Feldeffekts beeinflusst werden, was dazu führt, dass sich die Betriebswellenlänge des Sensors (siehe ergänzende Abbildung S3) und entsprechend der Dynamikbereich des Sensors ändert. In tatsächlichen Anwendungen ist die Befestigung der mechanischen Struktur des Sensors, insbesondere des FP-Hohlraums und des Spalts, hilfreich, um Schwankungen der ursprünglichen Lichtintensität und der Intensitätsreaktion des elektrischen Feldes zu beseitigen. Auch die Auswirkungen von Temperatur und Vibration auf die Messung des elektrischen Feldes sollten berücksichtigt werden. Es sollte vorgeschlagen werden, unseren Sensor auf stabilen Plattformen zu befestigen und die Temperaturkompensationsstruktur und den Algorithmus einzuführen, um die durch Temperaturschwankungen verursachte Strukturverformung zu überwinden. Der Stromverbrauch bestand aus der sehr geringen Energiemenge, die aus der E-Feld-Quelle und der Laserquellenleistung extrahiert wurde (0,1–4 mW), die von der anfänglichen Ladeenergie der äquivalenten Kapazität des Sensors (<0,1 μJ) und der anfänglichen kinetischen Energie von abhängt Goldfilm (<10−22f 2 J/s2, f ist die elektrische Feldfrequenz), Luftwiderstandsstromverbrauch (<1 nW) und Sensorwiderstandswärme (vom Widerstand des verpackten Glases, <10−11 W). Aufgrund der Miniaturisierung und der geringen Wechselwirkung mit der elektrischen Feldquelle oder der Umgebung eignet sich unser Sensor für die gerichtete elektrische Feldmessung im Raum oder sogar für die dreidimensionale Messung, wenn drei Sensoren in unterschiedlichen Ausrichtungen montiert werden.

Zusammenfassend haben wir die Machbarkeit einer neuen Methode zur sicheren Messung räumlicher dynamischer elektrischer Felder unter Verwendung eines in einen Goldnanofilm integrierten Mikrofaserinterferometers demonstriert. Obwohl die äquivalente Intensität des angetriebenen internen elektrischen Felds in derselben Klasse wie bestehende optische Sensormechanismen liegt, könnte der Verstärkungsfaktor des externen zu internen elektrischen Felds unseres Sensors größer sein als bei jedem anderen optischen Sensor, da die Spaltlänge auf einen Nanometer-Maßstab verkleinert wird Grundsätzliche Einschränkungen (die vorhandenen EO14-, 15-Methoden erfordern einen Abstand von mehr als 300 nm für den optischen Wellenleiter und die LC20-Methode erfordert 30 μm). Das bedeutet, dass die minimale erfassbare Intensität unseres Geräts (15 mV/m) besser ist als bei anderen optischen Sensoren14,15,20,21, wenn sie dieselbe Strukturgröße haben und im Niederfrequenzbereich liegen. Und der elektrische Widerstand unseres Sensors (Luftdielektrikum) könnte viel größer sein als der aller anderen (EO-Material oder LC-Dielektrikum), was die Wettbewerbsfähigkeit unseres Sensors bei der Erkennung niederfrequenter elektrischer Felder wie der optischen Erkennung elektrischer Impulse19,27 und im Stromnetz veranschaulicht Überwachung und Orientierungsmessung des elektrischen Feldes.

Ein elektrisches Signal von Dutzenden Hz bis kHz vom Signalgenerator wird in einen Leistungsverstärker eingegeben und fungiert dann als Eingang des Transformators (es gibt mehrere verschiedene Transformatoren, die für verschiedene Frequenzabschnitte verwendet werden). Das tatsächliche Transformatorverhältnis und die Phaseneigenschaften wurden vorab gemessen, um die Hochspannungsleistung des Transformators zu ermitteln. Die Hochspannung wird verwendet, um das erforderliche elektrische Feld mittlerer bis hoher Intensität zu erzeugen. Die elektrische Feldstärke um den Sensor herum wird aus der Simulation der elektrischen Feldverteilung berechnet.

Das Ende der Edelstahlkapillare (Innendurchmesser 250 μm) ist mit einem ganzen Stück Goldfilm bedeckt. Die Herstellung erfolgt mit einem Femtosekundenlaser mit hochpräziser Bearbeitungsplattform. Die zentrale Wellenlänge des Femtosekundenlasers beträgt etwa 790 nm. Die Wiederholfrequenz des Impulses beträgt 1 kHz. Und die Größe des fokussierten Flecks beträgt ~3 μm. Die Energie des Laserimpulses wird so eingestellt, dass sie gerade ausreicht, um das Gold zu vergasen (~1 μJ), um eine glatte Strahlkante zu gewährleisten.

Zitierweise für diesen Artikel: Zhu, T. et al. Hochempfindliche Messung elektrischer Felder im Weltraum basierend auf einem Mikrofaserinterferometer mit feldkraftgesteuertem Gold-Nanofilm. Wissenschaft. Rep. 5, 15802; doi: 10.1038/srep15802 (2015).

Smolenski, R., Jarnut, M., Benysek, G. & Kempski, A. AC/DC/DC-Schnittstellen für V2G-Anwendungen – EMV-Probleme. IEEE Trans. Ind. Elektron. 60, 930–935 (2013).

Artikel Google Scholar

Zhao, T., Wang, G., Bhattacharya, S. & Huang, AQ Spannungs- und Leistungsgleichgewichtssteuerung für einen kaskadierten H-Brückenwandler-basierten Festkörpertransformator. IEEE Trans. Power-Elektron. 28, 1523–1532 (2013).

Artikel ADS Google Scholar

Solas, E. et al. Modularer Multilevel-Konverter mit unterschiedlichen Submodulkonzepten – Teil II: experimentelle Validierung und Vergleich für HGÜ-Anwendungen. IEEE Trans. Ind. Elektron. 60, 4536–4545 (2013).

Artikel Google Scholar

Gao, C., Jiang, IEEE Trans. Power-Elektron. 28, 2125–2139 (2013).

Artikel ADS Google Scholar

Costa, F., Gautier, C., Revol, B., Genoulaz, J. & Démoulin, B. Modellierung der elektromagnetischen Nahfeldstrahlung von Stromkabeln in der Automobil- oder Luftfahrtindustrie. IEEE Trans. Power-Elektron. 28, 4580–4593 (2013).

Artikel ADS Google Scholar

Dolde, F. et al. Erfassung elektrischer Felder mithilfe einzelner Diamantspins. Naturphysik. 7, 459–463 (2011).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Guo, BY, Guo, J. & Yu, AB (2014). Simulation des elektrischen Feldes in Elektrofiltern vom Drahtplattentyp. J. Elektrostat. 72, 301–310 (2014).

Artikel Google Scholar

Wijayanto, YN, Murata, H. & Okamura Y. Elektrooptische Millimeterwellen-Lichtwellen-Signalwandler, die an in Lücken eingebetteten Patchantennen auf Materialien mit geringer Dielektrizitätskonstante aufgehängt sind. IEEE J. Sel. Themen Quantenelektron. 19, 33–41 (2013).

Artikel Google Scholar

Williams, KR, De Bruyker, DP, Limb, SJ, Amendt, EM & Overland, DA Vakuumgesteuerter Elektron-Elektrofeldsensor. J. Mikroelektromech. Syst. 23, 157–167 (2014).

Artikel Google Scholar

Zhang, Z., Li, L., Xie, X., Xiao, D. & He, W. Optimierungsdesign und Forschungscharakter des passiven elektrischen Feldsensors. IEEE Sensors J. 14, 508–513 (2014).

Artikel ADS Google Scholar

In, V. et al. Eine bistabile mikroelektronische Schaltung zur Erfassung extrem schwacher elektrischer Felder. J. Appl. Physik. 107, 014506 (2010).

Artikel ADS Google Scholar

Bonnell, JW et al. Das elektrische Feldinstrument (EFI) für THEMIS. Weltraumwissenschaft. Rev. 141(1–4), 303–341 (2008).

Artikel ADS Google Scholar

Holloway, C. et al. Breitbandige Rydberg-Atom-basierte elektrische Feldsonde für SI-rückführbare, selbstkalibrierte Messungen. IEEE Trans. Antennenpropag. 62, 6169–6182 (2014).

Artikel ADS MathSciNet Google Scholar

Zhang, X. et al. Integrierter photonischer elektromagnetischer Feldsensor basierend auf einem mit einer Breitband-Bowtie-Antenne gekoppelten organischen Silizium-Hybridmodulator. J. Lightw. Technol. 32, 3774–3784 (2014).

Artikel ADS Google Scholar

Tulli, D., Janner, D., Garcia-Granda, M., Ricken, R. & Pruneri, V. Elektrodenfreier optischer Sensor für Hochspannung unter Verwendung eines domäneninvertierten LiNbO3-Wellenleiters nahe der Grenzfrequenz. Appl. Physik. B. 103, 399–403 (2011).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Dalton, LR, Sullivan, PA & Bale, DH Durch elektrische Felder gepolte organische elektrooptische Materialien: Stand der Technik und Zukunftsaussichten. Chem. Rev. 110, 25–55 (2010).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Savchenkov, AA et al. Photonischer E-Feld-Sensor. AIP Adv. 4, 122901 (2014).

Artikel ADS Google Scholar

Passaro, VMN, Dell'Olio, F. & De Leonardis, F. Photonische Sensoren für elektromagnetische Felder. Prog. Quantenelektron. 30, 45–73 (2006).

Artikel ADS Google Scholar

Lin, CY, Wang, AX, Lee, BS, Zhang, X. & Chen, RT Hochdynamischer elektrischer Feldsensor zur Erkennung elektromagnetischer Impulse. Opt. Äußern. 19, 17372–17377 (2011).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Ko, MO, Kim, SJ, Kim, JH, Lee, BW & Jeon, MY Dynamische Messung für einen elektrischen Feldsensor basierend auf einem wellenlängengeschwenkten Laser. Opt. Äußern. 22, 16139–16147 (2014).

Artikel ADS PubMed Google Scholar

Mathews, S., Farrell, G. & Semenova, Y. Polarimetrische Erfassung elektrischer Felder mit allen Fasern unter Verwendung von mit Flüssigkristallen infiltrierten photonischen Kristallfasern. Sens. Aktoren A, Phys. 167, 54–59 (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Shi, W., Ding, YJ, Mu, X., Yin, X. & Fang, C. Elektrooptische und elektromechanische Eigenschaften von gepolten Polymerdünnfilmen. Appl. Physik. Lette. 79, 3749–3751 (2001).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Abarkan, M., Aillerie, M., Kokanyan, N., Teyssandier, C. & Kokanyan, E. Elektrooptische und dielektrische Eigenschaften von Zirkonium-dotierten kongruenten Lithium-Niobat-Kristallen. Opt. Mater. Äußern. 4, 179–189. (2014).

Artikel ADS Google Scholar

Patel, N., Branch, DW, Schamiloglu, E. & Cular, S. Akustisch bestimmte lineare piezoelektrische Reaktion von Lithiumniobat bis 1100 V. Appl. Physik. Lette. 104, 163509 (2014).

Artikel ADS Google Scholar

Abarkan, M., Salvestrini, JP, Fontana, MD & Aillerie, M. Frequenz- und Wellenlängenabhängigkeiten elektrooptischer Koeffizienten in anorganischen Kristallen. Appl. Physik. B. 76, 765–769 (2003).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Xiong, C. et al. Aktive Silizium-integrierte Nanophotonik: ferroelektrische BaTiO3-Geräte. Nano Lett. 14, 1419–1425 (2014).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Drexler, P. & Fiala, P. Methoden zur Hochleistungs-EM-Pulsmessung. IEEE Sens. J. 7, 1006–1011 (2007).

Artikel ADS Google Scholar

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Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China durch das Stipendium Nr. unterstützt. 61405020, 61475029 und 61377066, der Science Fund for Distinguished Young Scholars of Chongqing bis Nr. CSTC2014JCYJJQ40002. Wir danken Wei Huang, Ming Deng, Zhengzhou Cao, Xiaosheng Tang und Zhigang Zhang für nützliche Diskussionen.

Schlüssellabor für optoelektronische Technologie und Systeme (Bildungsministerium), Universität Chongqing, Chongqing, 400044, China

Tao Zhu, Liming Zhou, Min Liu, Jingdong Zhang und Leilei Shi

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TZ hat die Arbeiten vorgeschlagen und koordiniert. LZ entwickelte gemeinsam die Idee, baute den Versuchsaufbau und führte Experimente durch. TZ, LZ, ML, JZ & LS analysierten die Theorie. Wir führten eine Datenanalyse durch und verfassten gemeinsam das Manuskript.

Die Autoren geben an, dass keine konkurrierenden finanziellen Interessen bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Zhu, T., Zhou, L., Liu, M. et al. Hochempfindliche Messung elektrischer Felder im Weltraum basierend auf einem Mikrofaserinterferometer mit feldkraftgesteuertem Gold-Nanofilm. Sci Rep 5, 15802 (2015). https://doi.org/10.1038/srep15802

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Eingegangen: 19. Juni 2015

Angenommen: 29. September 2015

Veröffentlicht: 28. Oktober 2015

DOI: https://doi.org/10.1038/srep15802

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