基于电磁诱导透明光谱的直流电场场强测量装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于电场测量技术领域，公开了一种基于电磁诱导透明光谱的直流电场场强测量装置，包括：探测激光器、泵浦激光器、第一声光调制器、第二声光调制器、第一原子气室、第二原子气室、第一探测器、第二探测器、计算单元；第一原子气室位于待测位置，第二原子气室位于电场屏蔽位置。本发明专利技术利用两个声光调制器(AOM)将两束探测光分别进行上频移和下频移使其相对于原子跃迁线红失谐和蓝失谐，然后使红失谐和蓝失谐的探测光重合并与一束泵浦光在高电阻玻璃原子泡内重叠对射，通过阶梯型三能级里德堡原子EIT能级形成里德堡原子双峰EIT分裂光谱，以无电场情况下得到的双峰EIT光谱两个共振透射峰之间的频率差为参考标准来测量电场强度，可以避免复杂的频率锁定过程。可以避免复杂的频率锁定过程。可以避免复杂的频率锁定过程。

【技术实现步骤摘要】
基于电磁诱导透明光谱的直流电场场强测量装置和方法


[0001]本专利技术属于光学测量
，具体涉及一种基于电磁诱导透明光谱的直流电场场强测量方法和装置。

技术介绍

[0002]直流电场场强的传统测量方法包括感应电荷式电场测量法和基于电光效应的光学式电场测量法。基于感应电荷式电学原理设计的电荷感应式电场仪难以应用到现场的带电测量，精确测量强电场较为困难，无法实现对电场空间分布的详尽刻画；基于电光效应的电场测仪通过激光在穿过置于电场中的晶体时发生双折射的效应，反映被测电场的参数。由于电光晶体本身具有温度依赖性，因此基于电光效应的电场传感器一般存在温度漂移的问题，此外在利用电光晶体感应静态或极低频电场时，晶体内将产生电荷漂移和电场分布的改变，会出现输出传感信号不稳定情况。特别是随着电网向智能化和数字化转型，传统电力测量设备在测量精度、可靠性和适应性上的技术瓶颈亟待解决。
[0003]近年来利用里德堡原子实现外加电场的精确测量引起了广泛关注，其测量直流场强的理论依据是直流电场下里德堡原子发生的斯塔克效应。基于里德堡原子的直流电场测量不依赖环境温度，直接追溯到基本物理常数和原子特性参数，可应用到现场带电测量，为实现全光学、高灵敏度、免校准电场测量提供了一种新技术。
[0004]电磁诱导透明(EIT)光谱是精确测量原子能级的常用技术手段。电磁诱导透明是一种量子干涉效应，当存在耦合光时探测光的吸收峰中间会出现一个超窄的透明峰。透明峰位置依赖原子能级，通过直流电场下EIT光谱透射峰的分裂可以反推出电场下里德堡原子能级相对无电场时的频率偏移。2007年英国杜伦大学C.S.Adams研究组[Phys.Rev.Lett.,98,113003]首次在热原子的室温玻璃气室中利用EIT这一量子相干光谱对里德堡原子实现了无损探测，他们发现耦合光解吸附玻璃泡内壁上的原子产生的电子和离子会屏蔽玻璃泡外部直流电场，影响里德堡原子EIT光谱测量静态直流电场。为了克服这种屏蔽效应，荷兰阿姆斯特丹大学R.J.C.Spreeuw研究组[Phy.Rev.A,87,042522(2013)]和德国图宾根埃伯哈德卡尔斯大学J.Fort
á
gh研究组[New J.Phys.,17,053005(2015)]将产生直流电场的电极放置到玻璃泡内，分别利用
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Rb原子n＝21～24和n＝35&70里德堡态测量了0
‑
130V/cm和0
‑
500V/cm的直流电场。这种将电极放置于玻璃泡内的方式虽然能检测直流电场场强，但不适用外部电场测量，限制了其应用范围。而且，R.J.C.Spreeuw研究组使用加载到玻璃泡内极板上的射频源作为频率标准，更加限制了EIT光谱在测量直流电场中的应用；J.Fort
á
gh研究组利用光学频率梳将探测光和泵浦光的频率锁定，利用泵浦光两次通过声光调制器(AOM)实现频率扫描。这种方式需要对泵浦光进行频率锁定，即使不用这种价格昂贵的光梳系统，采用如频率调制光谱、调制转移光谱、Pound
‑
Drever
‑
Hall光谱等进行稳频，也需要额外复杂的实验装置和锁频技术。

技术实现思路

[0005]本专利技术克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种结构简单，操作方便的基于电磁诱导透明光谱的直流电场场强测量方法和装置。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种基于电磁诱导透明光谱的直流电场场强测量装置，包括：探测激光器、泵浦激光器、第一声光调制器、第二声光调制器、第一原子气室、第二原子气室、第一探测器、第二探测器、计算单元；第一原子气室位于待测位置，第二原子气室位于电场屏蔽位置；
[0007]所述探测激光器的频率锁定，其输出的探测光被分为两束，两束探测光分别经过第一声光调制器、第二声光调制器进行频移后，分别相对于原子基态到激发态的共振频率红失谐和蓝失谐；红失谐和蓝失谐的探测光经分束组件后均被分为两束均包括红失谐探测光和和蓝失谐探测光的红蓝失谐探测光，其中一束红蓝失谐探测光重合入射至第一原子气室，另一束红蓝失谐探测光重合入射至第二原子气室；经过第一原子气室和第二原子气室的红蓝失谐探测光分别被所述第一探测器和第二探测器探测；
[0008]所述泵浦激光器的频率在原子激发态与里德堡态能级跃迁处扫描，其输出的泵浦光被分为两束，两束泵浦光分别与其中一束红蓝失谐探测光反向重叠入射至所述第一原子气室和第二原子气室；
[0009]所述计算单元用于根据第二探测器得到的双峰EIT光谱中两个峰值的扫描时间间隔，以及第一探测器得到的双峰EIT分裂光谱中的扫描时间间隔，并结合第一声光调制器、第二声光调制器频移频率计算里德堡原子在电场中发生的能级偏移，并根据能级偏移计算得到电场强度。
[0010]所述电场强度的计算公式为：
[0011][0012]其中，E表示电场强度，α表示极化率，ΔW表示里德堡原子在电场中发生的能级偏移，其计算公式为：
[0013]ΔW＝Δf*Δt/Δt0；
[0014]其中，Δf表示第一声光调制器、第二声光调制器的频移差，Δt分别表示里德堡原子在电场中发生的能级偏移对应的扫描时间间隔，Δt0表示第二探测器得到的双峰EIT光谱中两个峰值的扫描时间间隔。
[0015]所述第一原子气室为高电阻玻璃原子气室。
[0016]所述分束组件包括第一分束棱镜、第二分束棱镜、第三分束棱镜，所述第一分束棱镜、第二分束棱镜分别位于红失谐和蓝失谐的探测光光路上，所述第一分束棱镜用于将红失谐探测光分为两束，所述第二分束棱镜用于将蓝失谐探测光分为两束，其中一束红失谐探测光和蓝失谐探测光经第一分束棱镜透射后形成一束红蓝失谐探测光，另一束红失谐探测光和蓝失谐探测光经所述第三分束棱镜后形成另一束红蓝失谐探测光。
[0017]所述的一种基于电磁诱导透明光谱的直流电场场强测量装置，还包括第一射频源和第二射频源，所述第一射频源和第二射频源分别用于驱动所述第一声光调制器、第二声光调制器；
[0018]还包括第一导光镜和第二导光镜，所述第一导光镜设置在第一原子气室和第一探
测器之间，所述第二导光镜设置在第二原子气室和第二探测器之间，分别用于将经过第一原子气室和第二原子气室的红蓝失谐探测光导向所述第一探测器和第二探测器。
[0019]所述第一导光镜和第二导光镜为二向色镜。
[0020]第一原子气室、第二原子气室内的原子为
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Rb原子，所述探测激光器的波长为780nm，其通过饱和吸收谱锁定到
85
Rb原子|5S
1/2
,F＝3>
→
|5P
3/2
,F`＝3>和|5P
3/2
,F`＝4>的交叉跃迁线，所述泵浦激光器的波长为515nm，其频率在
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Rb原子|5P本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于电磁诱导透明光谱的直流电场场强测量装置，其特征在于，包括：探测激光器(1)、泵浦激光器(2)、第一声光调制器(3)、第二声光调制器(4)、第一原子气室(5)、第二原子气室(6)、第一探测器(7)、第二探测器(8)、计算单元(9)；第一原子气室(5)位于待测位置，第二原子气室(6)位于电场屏蔽位置；所述探测激光器(1)的频率锁定，其输出的探测光被分为两束，两束探测光分别经过第一声光调制器(3)、第二声光调制器(4)进行频移后，分别相对于原子基态到激发态的共振频率红失谐和蓝失谐；红失谐和蓝失谐的探测光经分束组件(12)后均被分为两束均包括红失谐探测光和和蓝失谐探测光的红蓝失谐探测光，其中一束红蓝失谐探测光重合入射至第一原子气室(5)，另一束红蓝失谐探测光重合入射至第二原子气室(6)；经过第一原子气室(5)和第二原子气室(6)的红蓝失谐探测光分别被所述第一探测器(7)和第二探测器(8)探测；所述泵浦激光器(2)的频率在原子激发态与里德堡态能级跃迁处扫描，其输出的泵浦光被分为两束，两束泵浦光分别与其中一束红蓝失谐探测光反向重叠入射至所述第一原子气室(5)和第二原子气室(6)；所述计算单元(9)用于根据第二探测器(8)得到的双峰EIT光谱中两个峰值的扫描时间间隔，以及第一探测器(7)得到的双峰EIT分裂光谱中的扫描时间间隔，并结合第一声光调制器(3)、第二声光调制器(4)频移频率计算里德堡原子在电场中发生的能级偏移，并根据能级偏移计算得到电场强度。2.根据权利要求1所述的一种基于电磁诱导透明光谱的直流电场场强测量装置，其特征在于，所述电场强度的计算公式为：其中，E表示电场强度，α表示极化率，ΔW表示里德堡原子在电场中发生的能级偏移，其计算公式为：ΔW＝Δf*Δt/Δt0；其中，Δf表示第一声光调制器(3)、第二声光调制器(4)的频移差，Δt分别表示里德堡原子在电场中发生的能级偏移对应的扫描时间间隔，Δt0表示第二探测器(8)得到的双峰EIT光谱中两个峰值的扫描时间间隔。3.根据权利要求1所述的一种基于电磁诱导透明光谱的直流电场场强测量装置，其特征在于，所述第一原子气室(5)为高电阻玻璃原子气室。4.根据权利要求1所述的一种基于电磁诱导透明光谱的直流电场场强测量装置，其特征在于，所述分束组件(12)包括第一分束棱镜(15)、第二分束棱镜(16)、第三分束棱镜(17)，所述第一分束棱镜(15)、第二分束棱镜(16)分别位于红失谐和蓝失谐的探测光光路上，所述第一分束棱镜(15)用于将红失谐探测光分为两束，所述第二分束棱镜(16)用于将蓝失谐探测光分为两束，其中一束红失谐探测光和蓝失谐探测光经第一分束棱镜(15)透射后形成一束红蓝失谐探测光，另一束红失谐探测光和蓝失谐探测光经所述第三分束棱镜(17)后形成另一束红蓝失谐探测光。5.根据权利要求1所述的一种基于电磁诱导透明光谱的直流电场场强测量装置，其特征在于，还包括第一射频源(10)和第二射频源(11)，所述第一射频源(10)和第二射频源
(11)分别用于驱动所述第一声光调制器(3)、第二声光调制器(4)；还包括第一导光镜(13)和第二导光镜(14)，所述第一导光镜(13)设置在第一原子气室(5)和第一探测器(7)之间，所述第二导光镜(14...

【专利技术属性】
技术研发人员：马崇皓，姬中华，赵延霆，彭文鑫，李松浓，籍勇亮，
申请(专利权)人：国网重庆市电力公司电力科学研究院国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：