Détection de champ électrique spatial à haute sensibilité basée sur un interféromètre à microfibres avec un nanofilm d'or entraîné par la force de champ

Jun 02, 2023

Scientific Reports volume 5, Numéro d'article : 15802 (2015) Citer cet article

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La détection de champ électrique traditionnelle peut être réalisée en utilisant des matériaux électro-optiques ou des cristaux liquides et présente des limites en termes de panne facile, d'assemblage libre et de mesure difficile des basses fréquences. Nous proposons ici une nouvelle méthode pour réaliser une mesure sûre du champ électrique dynamique spatial en utilisant un interféromètre en microfibre intégré à un nanofilm d'or. L'énergie de la charge électrique reçue à travers l'antenne forme le champ électrique intrinsèque avec deux microélectrodes, dont l'une est le faisceau vibrant du film d'or de 120 nm micro-usiné par des lasers femtoseconde et intégré à la microfibre. Le changement de la force intrinsèque du champ électrique dû au champ électrique spatial provoquera la vibration du faisceau de film. En démodulant le signal de sortie de l'interféromètre à microfibres, le champ électrique peut être mesuré. Nous démontrons les plages de fréquences détectables allant de dizaines de Hz à des dizaines de KHz et l'intensité minimale du champ électrique est d'environ 200 V/m à 1 KHz. Notre technologie de mesure de champ électrique combinant l'interférence des fibres optiques avec des nanostructures d'or montre les avantages de la sécurité, de la haute sensibilité, de la taille compacte et de la détection multipoint et à distance multiplexée.

La détection de champ électrique est importante pour la prévention des interférences électromagnétiques1, l’équilibrage de tension2,3,4, le blindage contre les rayonnements électromagnétiques en champ proche5 et d’autres applications spéciales telles que la détection de charges6, les précipitations électrostatiques7 et le convertisseur de signal d’onde millimétrique en onde lumineuse8. Bien que les capteurs de champ électrique traditionnels, tels que les électrons dirigés9 (la plage détectable est de plusieurs mV/m à des dizaines de V/m), la sonde de champ électrique sphérique10 (<12 kV/m), le circuit microélectronique bistable11 et le champ électrique à trois axes THEMIS instrument12 (mV/m à plusieurs V/m), peuvent fonctionner avec précision dans certaines applications, ils peuvent être facilement endommagés ainsi que leurs circuits ultérieurs en raison de la forte intensité imprévisible du champ électrique et nécessitent des dispositifs actifs qui les rendent impropres à la détection à distance. De plus, les circuits métalliques et les câbles de transmission des signaux sont sensibles aux interférences électromagnétiques.

Ces dernières années, la détection optique du champ électrique6,13,14,15,16,17,18,19,20,21 a attiré une attention croissante. Ils possédaient de bonnes qualités telles que des mesures à distance et de sécurité, un composant passif, une structure intégrée, une mise en réseau facile basée sur la technologie WDM, une interférence extrêmement faible avec l'environnement et une source de champ électrique. Les mesures de champ électrique optique dans le domaine temporel sont basées respectivement sur deux types de matériaux14,15,16,17,18,19,20,21. Le premier est constitué de matériaux électro-optiques (EO)14,15,16,17,18,19 qui sont principalement utilisés pour la détection de champ électrique de fréquence RF MHz à GHz. Les plages détectables correspondantes sont supérieures à 2,5 V/m (ou plusieurs mW/m2 de la densité de flux d'énergie électromagnétique minimale détectable) pour la réf. 14 et 19 V/m à 23 kV/m pour réf. 15, mais cela a rarement été signalé dans les applications basse fréquence inférieures à des dizaines de kilohertz en raison de la réponse en fréquence irrégulière provoquée par l'effet piézoélectrique des matériaux EO22,23,24,25 ou d'autres effets15,26. Le deuxième matériau est le cristal liquide16,18,20,21 qui est applicable à la mesure du champ électrique à basse fréquence et les plages détectables signalées d'intensité du champ électrique sont supérieures à des dizaines de KV/m pour la réf. 20 et 1 à 4,1 kV/mm pour réf. 21.

Étant donné que la plupart des capteurs de champ électrique basse fréquence sont utilisés dans le système d'alimentation électrique, il est très important de réaliser une mesure sûre du champ électrique basse fréquence avec une sensibilité élevée. Pour la première fois, nous proposons une nouvelle méthode pour réaliser un capteur en intégrant l'antenne et la fibre optique dont la fréquence détectable va de la dizaine de Hz à la dizaine de KHz. L'intensité minimale du champ électrique détectable est d'environ 200 V/m à 1 KHz et le maximum est d'environ 5 kV/m en fonction de l'intensité du champ électrique demi-onde. La sensibilité peut être encore améliorée en modifiant la structure et les paramètres de l'antenne (la limite de l'intensité minimale du champ électrique détectable peut être aussi basse que ~0,015 V/m avec une longueur de l'antenne de ~27 mm). L’élément clé du capteur est l’interféromètre en microfibres intégré au nanofilm d’or. La détection est réalisée à travers la microzone du capteur avec un fort champ électrique formé par le couplage entre l'antenne et le champ électrique spatial. Le nanofilm d'or peut fonctionner comme l'électrode de la micro-zone, tandis qu'il se déforme sous la force électrostatique ultra-faible provoquée par le champ électrique puissant. Le faisceau vibrant formé par le nanofilm d'or peut être le réflecteur de l'interféromètre Fabry-Pérot (FP). Par conséquent, le changement du champ électrique spatial peut être détecté en démodulant le changement de longueur de la cavité de l'interféromètre sous la force électrostatique.