一种基于光诱导解吸附的里德堡原子低频电场测量装置

1.本发明涉及对低频电场强度测量技术领域，特别是涉及一种基于光诱导解吸附的里德堡原子低频电场测量装置。


背景技术：

2.里德堡原子电场测量是应用处于高激发态的碱金属原子，其寿命长、极化率高、电偶极矩大等特性，对外电场十分敏感。且具有对外电场干扰小，测量精度高等优点。
3.目前里德堡原子电场测量大多以测量微波电场为主,在微波电场测量方面，通过电场强度与原子参数和光谱特征参数联系起来，已经实现了高于传统偶极天线标准的灵敏度。
4.然而基于低频电场下原子气室表现的电场屏蔽效应，故难以直接进行里德堡原子低频电场测量。目前，里德堡原子低频电场测量主要从原子气室材料和电极内置两个方面进行考虑。由于蓝宝石材料内表面电阻高，使得碱金属原子不易吸附，原子气室目前可用蓝宝石代替玻璃来降低原子气室的低频电场屏蔽率，但成本较高。同时电极内置于原子气室内虽然能不必考虑电场屏蔽问题，但必须考虑击穿电压大小和气室加工以及难以小型化的问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的上述问题，本发明旨在提供一种基于光诱导解吸附的里德堡原子低频电场测量装置，解决了现有的里德堡原子低频电场测量，存在原子气室材料昂贵和电极内置原子气室难以小型化的问题。
6.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
7.提供了一种基于光诱导解吸附的里德堡原子低频电场测量装置，其包括用于储存碱金属原子蒸汽的原子气室，原子气室外部设置有光源，光源用于向原子气室照射探测光；
8.原子气室的顶部和底部均设置有一块极板，两块极板用于向原子气室内的碱金属原子蒸汽施加低频电场；
9.原子气室的外部设置有光电探测器，光电探测器通过探测光的eit光谱图观察到eit信号的频移，将eit信号的频移量信息与电场的频率和大小相联系，从而计算出低频电场的电场强度。
10.本发明中基于光诱导解吸附的里德堡原子低频电场测量装置的基本原理为：两块向原子气室内的碱金属原子蒸汽施加低频电场，而光源向原子气室照射探测光，通过低频电场与光诱导解吸附进行共同作用，改变原子气室内表面的自由电荷重新分布的速度。电场屏蔽率由表面自由电荷重新分布的速度决定，改变自由电荷重新分布的速度从而改变低频电场屏蔽率，基于里德堡原子的直流(或工频)电场测量是通过观察里德堡原子在电场作用下的斯塔克效应来实现的，在降低原子气室低频电场屏蔽率后，光电探测器通过探测光的eit光谱图观察到eit信号的频移，将eit信号的频移量信息与电场的频率和大小相联系，
从而计算出低频电场的电场强度。
11.进一步地，两块极板之间设置有半透半反镜和全反镜；两块极板和半透半反镜和全反镜形成谐振腔；
12.原子气室设置在谐振腔的内部；光源和光电探测器位于半透半反镜的外侧；通过半透半反镜和全反镜向增大原子气室表面的光照面积。
13.极板和半透半反镜、全反镜组合形成光学谐振腔的方式将原子气室置于低频电场和探测光的环境下。通过谐振腔的工作原理是通过多次反射来使光在腔内往返传播，从而使光的强度增强，增大气室表面照射面积。光强和表面照射面积的增加进一步提高了光诱导解吸附的效率，从而来改变原子气室内表面自由电荷重新分布的速度从而改变低频电场屏蔽率。
14.进一步地，原子气室的内壁上涂覆有石蜡或硅烷涂层。碱金属原子蒸汽的吸附导致原子气室的内表面具有轻微的导电性。当施加低频外部电场时，原子气室内表面上的自由电荷重新分布以保持相等的电势，并且没有电场泄漏到原子气室中。
15.打开光源向原子气室照射探测光后，原子气室的光诱导解吸附分解为两个过程，先是探测光直接照射部分的表层碱金属原子脱落，然后周围未被照射位置及深层的原子会向解吸表层扩散，再被解吸释放。其中影响光诱导解吸附效果的主要因素有：探测光的强度及频率，探测光强度越大，频率越小，则光诱导解吸附效果越强。原子气室内部涂上石蜡或硅烷涂层以降低碱金属原子的吸附能来提高光诱导解吸附的效率。
16.光诱导解吸附主要利用短波长的非相干光直接照射气室内壁从而使吸附在真空气室内壁上的碱金属原子解吸附，达到增加原子气室内碱金属极化原子的浓度。基于气室低频电场屏蔽的理论，在使吸附在真空气室内壁上的碱金属原子解吸附时，改变自由电荷重新分布的速度从而改变电场屏蔽率测得低频电场。
17.进一步地，两块极板的材质均为铜板；两块极板之间的间距为50mm；两块极板上的电压为0～150v，两块极板产生的最大场强为2800v/m的电场。
18.进一步地，两块极板均呈长方形板状结构，每块极板的尺寸参数为100mm
×
80mm
×
2mm。
19.进一步地，光源为led光源，led光源照射探测光的波长、光源强度和照射面积均可调节。低频乃至工频电场的采样需求不同于微波测量，对变电站而言所测电场的电压等级要求较高，故必须考虑极板间的耐压强度。同时相较于极板内置于原子气室的方法可以不用考虑气室加工的工艺问题。
20.本发明的有益效果为：
21.1、本发明中的一种基于光诱导解吸附的里德堡原子低频电场测量装置，通过向原子气室照射探测光，通过光照脱落原子气室内表面上吸附的碱金属原子从而扰乱自由电荷重新分布的速度，降低原子气室的低频电场屏蔽率，解决了基于玻璃材质的原子气室低频电场屏蔽高的问题；同时将极板设置于原子气室的外部，进而达到了气室加工方便以及容易小型化的技术效果。
22.2、本发明中的一种基于光诱导解吸附的里德堡原子低频电场测量装置，极板设置于原子气室的外部，不必将电极板加工内置于气室施加低频电场，有助于电场测量装置的小型化。同时通过设置半透半反镜和全反镜多次反射来使led光在谐振腔内往返传播，从而
使led光的强度增强，增大气室表面照射面积，提高光诱导解吸附效率。
23.3、本发明中的一种基于光诱导解吸附的里德堡原子低频电场测量装置，当施加低频外部电场时，通过使led光光照脱落原子气室内表面上吸附的碱金属原子从而扰乱自由电荷重新分布的速度，在降低原子气室的低频电场屏蔽率同时还能增加原子气室内碱金属原子的浓度，便于实现低频电场测量。
附图说明
24.图1为一种基于光诱导解吸附的里德堡原子低频电场测量装置的结构示意图。
25.图2为原子气室的内部结构示意图。
26.其中，1、原子气室；2、光源；3、极板；4、光电探测器；5、半透半反镜；6、全反镜；7、谐振腔。
具体实施方式
27.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
28.如图1～图2所示，本发明提供了一种基于光诱导解吸附的里德堡原子低频电场测量装置，其包括用于储存碱金属原子蒸汽的原子气室1，原子气室1外部设置有光源2，光源2用于向原子气室1照射探测光。
29.原子气室1的顶部和底部均设置有一块极板3，两块极板3用于向原子气室1内的碱金属原子蒸汽施加低频电场。
30.两块极板3的材质均为铜板；两块极板3之间的间距为50mm；两块极板3上的电压为0～150v，两块极板3产生的最大场强为2800v/m的电场。
31.两块极板3均呈长方形板状结构，每块极板3的尺寸参数为100mm
×
80mm
×
2mm。光源2为led光源2，led光源2照射探测光的波长、光源2强度和照射面积均可调节。低频乃至工频电场的采样需求不同于微波测量，对变电站而言所测电场的电压等级要求较高，故必须考虑极板3间的耐压强度。同时相较于极板3内置于原子气室1的方法可以不用考虑气室加工的工艺问题。
32.原子气室1的外部设置有光电探测器4，光电探测器4通过探测光的eit光谱图观察到eit信号的频移，将eit信号的频移量信息与电场的频率和大小相联系，从而计算出低频电场的电场强度。
33.极板3设置于原子气室1的外部，不必将电极板3加工内置于气室施加低频电场，有助于电场测量装置的小型化。同时通过设置半透半反镜5和全反镜6多次反射来使led光在谐振腔7内往返传播，从而使led光的强度增强，增大气室表面照射面积，提高光诱导解吸附效率。
34.本发明中的一种基于光诱导解吸附的里德堡原子低频电场测量装置，通过向原子气室1照射探测光，通过光照脱落原子气室1内表面上吸附的碱金属原子从而扰乱自由电荷重新分布的速度，降低原子气室1的低频电场屏蔽率，解决了基于玻璃材质的原子气室1低
频电场屏蔽高的问题；同时将极板3设置于原子气室1的外部，进而达到了气室加工方便以及容易小型化的技术效果。
35.本实施例中基于光诱导解吸附的里德堡原子低频电场测量装置的基本原理为：两块向原子气室1内的碱金属原子蒸汽施加低频电场，而光源2向原子气室1照射探测光，通过低频电场与光诱导解吸附进行共同作用，改变原子气室1内表面的自由电荷重新分布的速度。电场屏蔽率由表面自由电荷重新分布的速度决定，改变自由电荷重新分布的速度从而改变低频电场屏蔽率，基于里德堡原子的直流(或工频)电场测量是通过观察里德堡原子在电场作用下的斯塔克效应来实现的，在降低原子气室1低频电场屏蔽率后，光电探测器4通过探测光的eit光谱图观察到eit信号的频移，将eit信号的频移量信息与电场的频率和大小相联系，从而计算出低频电场的电场强度。
36.优选但不局限地，两块极板3之间设置有半透半反镜5和全反镜6；两块极板3和半透半反镜5和全反镜6形成谐振腔7。
37.原子气室1设置在谐振腔7的内部；光源2和光电探测器4位于半透半反镜5的外侧；通过半透半反镜5和全反镜6向增大原子气室1表面的光照面积。
38.极板3和半透半反镜5、全反镜6组合形成光学谐振腔7的方式将原子气室1置于低频电场和探测光的环境下。通过谐振腔7的工作原理是通过多次反射来使光在腔内往返传播，从而使光的强度增强，增大气室表面照射面积。光强和表面照射面积的增加进一步提高了光诱导解吸附的效率，从而来改变原子气室1内表面自由电荷重新分布的速度从而改变低频电场屏蔽率。
39.进一步地，原子气室1的内壁上涂覆有石蜡或硅烷涂层。碱金属原子蒸汽的吸附导致原子气室1的内表面具有轻微的导电性。当施加低频外部电场时，原子气室1内表面上的自由电荷重新分布以保持相等的电势，并且没有电场泄漏到原子气室1中。
40.打开光源2向原子气室1照射探测光后，原子气室1的光诱导解吸附分解为两个过程，先是探测光直接照射部分的表层碱金属原子脱落，然后周围未被照射位置及深层的原子会向解吸表层扩散，再被解吸释放。其中影响光诱导解吸附效果的主要因素有：探测光的强度及频率，探测光强度越大，频率越小，则光诱导解吸附效果越强。原子气室1内部涂上石蜡或硅烷涂层以降低碱金属原子的吸附能来提高光诱导解吸附的效率。
41.光诱导解吸附主要利用短波长的非相干光直接照射气室内壁从而使吸附在真空气室内壁上的碱金属原子解吸附，达到增加原子气室1内碱金属极化原子的浓度。基于气室低频电场屏蔽的理论，在使吸附在真空气室内壁上的碱金属原子解吸附时，改变自由电荷重新分布的速度从而改变电场屏蔽率测得低频电场。

技术特征：
1.一种基于光诱导解吸附的里德堡原子低频电场测量装置，其特征在于，包括用于储存碱金属原子蒸汽的原子气室，所述原子气室外部设置有光源，所述光源用于向原子气室照射探测光；原子气室的顶部和底部均设置有一块极板，两块所述极板用于向原子气室内的碱金属原子蒸汽施加低频电场；原子气室的外部设置有光电探测器，所述光电探测器通过探测光的eit光谱图观察到eit信号的频移，将eit信号的频移量信息与电场的频率和大小相联系，从而计算出低频电场的电场强度。2.根据权利要求1所述的基于光诱导解吸附的里德堡原子低频电场测量装置，其特征在于，两块所述极板之间设置有半透半反镜和全反镜；两块极板和半透半反镜和全反镜形成谐振腔；所述原子气室设置在所述谐振腔的内部；所述光源和光电探测器位于所述半透半反镜的外侧；通过半透半反镜和全反镜向增大原子气室表面的光照面积。3.根据权利要求2所述的基于光诱导解吸附的里德堡原子低频电场测量装置，其特征在于，所述原子气室的内壁上涂覆有石蜡或硅烷涂层。4.根据权利要求3所述的基于光诱导解吸附的里德堡原子低频电场测量装置，其特征在于，两块所述极板的材质均为铜板；两块极板之间的间距为50mm；两块极板上的电压为0～150v，两块极板产生的最大场强为2800v/m的电场。5.根据权利要求4所述的基于光诱导解吸附的里德堡原子低频电场测量装置，其特征在于，两块所述极板均呈长方形板状结构，每块极板的尺寸参数为100mm
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80mm
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2mm。6.根据权利要求5所述的基于光诱导解吸附的里德堡原子低频电场测量装置，其特征在于，所述光源为led光源，led光源照射探测光的波长、光源强度和照射面积均可调节。

技术总结
本发明提供了一种基于光诱导解吸附的里德堡原子低频电场测量装置，其包括用于储存碱金属原子蒸汽的原子气室，原子气室外部设置有向原子气室照射探测光的光源；原子气室的顶部和底部均设置有一块用于施加低频电场的极板；原子气室的外部设置有光电探测器，光电探测器通过探测光的EIT光谱图观察到EIT信号的频移，将EIT信号的频移量信息与电场的频率和大小相联系，从而计算出低频电场的电场强度；通过光照脱落原子气室内表面上吸附的碱金属原子从而扰乱自由电荷重新分布的速度，降低原子气室的低频电场屏蔽率，解决了基于玻璃材质的原子气室低频电场屏蔽高的问题；同时将极板设置于原子气室的外部，进而达到了气室加工方便以及容易小型化的技术效果。容易小型化的技术效果。容易小型化的技术效果。


技术研发人员：王保帅 宋宏天 胡珊珊 肖勇 林伟斌 丁超 张英 蒲曾鑫 黄宇 谈竹奎 樊磊 何锦航 王凌旭 肖艳红 胡厚鹏 张俊玮 龙秋风 张淮清 林文宇 肖冬萍
受保护的技术使用者：贵州电网有限责任公司 重庆大学
技术研发日：2023.07.25
技术公布日：2023/10/20