Rilevamento del campo elettrico spaziale ad alta sensibilità basato su interferometro in microfibra con nanofilm d'oro guidato dalla forza di campo

Jun 02, 2023

Scientific Reports volume 5, numero articolo: 15802 (2015) Citare questo articolo

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Il tradizionale rilevamento del campo elettrico può essere realizzato utilizzando materiali elettro-ottici o cristalli liquidi e presenta limitazioni di facile rottura, libero assemblaggio e difficile misurazione della bassa frequenza. Qui proponiamo un nuovo metodo per realizzare misurazioni sicure del campo elettrico dinamico spaziale utilizzando un interferometro in microfibra integrato con nanofilm d'oro. L'energia della carica elettrica ricevuta tramite l'antenna forma il campo elettrico intrinseco con due micro elettrodi, uno dei quali è il raggio vibrante in pellicola d'oro da 120 nm microlavorato da laser a femtosecondi e integrato con la microfibra. Il cambiamento della forza del campo elettrico intrinseco dovuto al campo elettrico spaziale causerà la vibrazione del fascio di pellicola. Demodulando il segnale di uscita dell'interferometro in microfibra è possibile misurare il campo elettrico. Dimostriamo che le gamme di frequenza rilevabili vanno da decine di Hz a decine di KHz e l'intensità minima del campo elettrico è di ~200 V/m a 1 KHz. La nostra tecnologia di misurazione del campo elettrico che combina l'interferenza della fibra ottica con le nanostrutture d'oro mostra i vantaggi di sicurezza, alta sensibilità, dimensioni compatte e multipunto multiplex e rilevamento remoto.

Il rilevamento del campo elettrico è importante per la prevenzione delle interferenze elettromagnetiche1, il bilanciamento della tensione2,3,4, la schermatura delle radiazioni elettromagnetiche del campo vicino5 e altre applicazioni speciali come il rilevamento di cariche6, la precipitazione elettrostatica7 e il convertitore di segnali da onde millimetriche a onde luminose8. Sebbene i tradizionali sensori di campo elettrico, come l'elettrone orientato9 (il campo rilevabile va da diversi mV/m a decine di V/m), la sonda di campo elettrico sferica10 (<12 kV/m), il circuito microelettronico bistabile11 e il campo elettrico a tre assi THEMIS instrument12 (da mV/m a diversi V/m), possono funzionare proprio in alcune applicazioni, possono essere facilmente danneggiati insieme ai circuiti successivi a causa dell'elevata intensità imprevedibile del campo elettrico e necessitano di dispositivi attivi che li rendono inadatti al rilevamento remoto. Inoltre, i circuiti metallici e i cavi di trasmissione del segnale sono sensibili alle interferenze elettromagnetiche.

Negli ultimi anni, la rilevazione del campo elettrico ottico6,13,14,15,16,17,18,19,20,21 ha attirato crescenti attenzioni. Possedevano buone qualità come misurazione remota e di sicurezza, componente passivo, struttura integrata, facile collegamento in rete basato sulla tecnologia WDM, interferenza estremamente debole con l'ambiente e la sorgente del campo elettrico. Le misurazioni del campo elettrico ottico nel dominio del tempo si basano rispettivamente su due tipi di materiali14,15,16,17,18,19,20,21. Il primo è costituito da materiali elettro-ottici (EO)14,15,16,17,18,19 utilizzati principalmente per il rilevamento del campo elettrico con frequenza RF da MHz a GHz. I corrispondenti intervalli rilevabili sono superiori a 2,5 V/m (o diversi mW/m2 della densità di flusso di energia elettromagnetica minima rilevabile) per rif. 14 e 19 V/m fino a 23 kV/m per rif. 15, Ma è stato raramente segnalato nelle applicazioni a bassa frequenza inferiori a decine di kilohertz a causa della risposta in frequenza irregolare causata dall'effetto piezoelettrico dei materiali EO22,23,24,25 o da altri effetti15,26. Il secondo materiale è il cristallo liquido16,18,20,21 applicabile per la misurazione del campo elettrico a bassa frequenza e gli intervalli rilevabili riportati dell'intensità del campo elettrico sono superiori a decine di KV/m per il rif. 20 e da 1 a 4,1 kV/mm per rif. 21.

Considerando che la maggior parte dei sensori di campo elettrico a bassa frequenza vengono impiegati nel sistema di alimentazione elettrica, è molto importante realizzare misurazioni sicure del campo elettrico a bassa frequenza con elevata sensibilità. Per la prima volta proponiamo un nuovo metodo per realizzare un sensore integrando l'antenna e la fibra ottica la cui frequenza rilevabile varia da decine di Hz a decine di KHz. L'intensità minima del campo elettrico rilevabile è ~200 V/m a 1 KHz e la massima è circa 5 kV/m in base all'intensità del campo elettrico a semionda. La sensibilità può essere ulteriormente migliorata modificando la struttura e i parametri dell'antenna (il limite dell'intensità minima del campo elettrico rilevabile può essere fino a ~0,015 V/m con la lunghezza dell'antenna di ~27 mm). Il componente chiave del sensore è l'interferometro in micro fibra integrato con nanofilm d'oro. Il rilevamento avviene attraverso la microarea del sensore con un forte campo elettrico formato dall'accoppiamento tra l'antenna e il campo elettrico spaziale. Il nanofilm d'oro può funzionare come elettrodo della microarea, nel frattempo si deforma sotto la forza elettrostatica ultradebole causata dal forte campo elettrico. Il fascio vibrante formato dal nanofilm d'oro può essere il riflettore dell'interferometro Fabry-Perot (FP). Pertanto, la variazione del campo elettrico spaziale può essere rilevata demodulando la variazione della lunghezza della cavità dell'interferometro sotto la forza elettrostatica.