图1 光电子学空间电荷测量方法
Fig.1 Space charge measurement method based on optoelectronics
摘要 为支撑复杂应力环境下新能源电力系统装备绝缘可靠设计与状态评估，该文提出一种具备高时空分辨潜力的光电子学空间电荷测量方法，并构建了光-电-机械电荷测量信号传变转换模型。模型分析指出，电荷受太赫兹脉冲电场扰动所产生的弹性波大小与平衡探测器所检测光强差近似成正比。针对测量传感器部分，结合分子动力学模拟，提出以SU-8胶为基体、羟基化石墨烯为掺杂分子的传感器材料改性设计思路，并基于光刻工艺，完成了高可靠弹光传感器的研制。进一步，搭建椭偏传感探测系统对所研发传感器开展了测试验证。实验表明，平衡探测器输出电压与传统电声脉冲压电传感模块输出量级一致，均为mV量级。同时，所研发弹光传感器可实现kHz级重复弹性波与飞秒脉宽脉冲弹性波的追踪测量，相较于压电传感模块，测量波形光滑且无畸变，具备较高的测量可靠性，可应用于光学测量方法。
关键词：空间电荷 光弹性效应 椭圆偏振测量 弹光传感器
随着人类社会的发展，传统化石能源短缺、环境污染严重等问题越发突出，加快构建以可再生能源为主体的新能源电力系统，已经成为行业共识[1-2]。电力电子变压器等新能源电力系统装备作为分布式与可再生能源电网的核心部件，面临着大容量、紧凑型和高电压等级的发展需求[3-4]。然而，电力电子技术的发展在缩小电气装备体积的同时，也对其绝缘性能提出了更高的要求[5]。相对于传统电气装备，新能源电力系统装备在实际运行过程中除承受一般的交、直流应力外，还要经受高频类正弦波和瞬态PWM开关脉冲等强电场特殊电应力的作用，运行条件更为恶劣[6-8]。
由于外部复杂应力直接作用，大量空间电荷积聚于装备绝缘系统，将造成绝缘局部电场的严重畸变，进而直接导致系统的介电性能变化和放电现象发展，引起装备绝缘失效[9-10]。目前，主要依据空间电荷无损测量技术，对绝缘材料空间电荷积聚及分布机理开展研究。相较于直流与工频环境，高频环境下电荷积聚研究较少，主要原因在于电荷测量技术时空分辨率的限制。0.5kHz高频瞬变脉冲电应力和极性反转条件下的测试研究表明，空间电荷可能在加压和状态转换的瞬间即在试样中形成积聚，高测量速度已成为追踪高频环境下快速迁移电荷的必要基础[11-12]。同时，探索性电荷仿真发现，1kHz高频应力下正负极性内部电荷会在试样表面2μm范围内积聚，现有测量技术难以从界面感应电荷与空间电荷叠加态中提取空间电荷分布信息[13-14]。因此，发展高时空分辨空间电荷测量方法显得尤为重要。
依据测量原理，现在主要形成了以压力波脉冲为激励的非光学测量技术，以及以激光为激励的光学测量技术[15]。受压力波脉冲脉宽限制，非光学测量技术测量空间分辨率仅能达到μm级别，同时，由于测试信号的信噪比较低，测量结果需进行上千次平均，测量时间仅能达到ms级别[16]。相比之下，受益于激光激励的超窄脉宽，光学测量技术空间分辨率最高可达到100nm，但受靶电极材料限制难以进一步提高。并且，激光激励虽然信号信噪比极高，可实现测量信号的单次获取，但受电气测量仪器性能限制，其探测系统带宽仅为亚GHz级别，无法匹配更高空间分辨率测试所需的带宽要求。同时，由于仅采用电容器件作为其传感探测模块与同步极化电路的安全隔离，当处于高频瞬变脉冲环境中时，存在较大的设备击穿和操作安全风险[17-18]。为进一步提升测量时空分辨率，有学者直接使用纳秒激光作为激励，但由于激光能量较高，光电场作用于空间电荷的同时，其自身光压也会对传感器测量结果造成影响，有效电荷信号的提取较为困难[19]。因此，尽管基于高频率脉冲激光的激励方式表现出高时空分辨率的潜在优势，但目前仍没有一个完善的测量方法来解决该技术进一步发展所面临的瓶颈问题，难以直接应用于高频复杂脉冲应力环境下。
鉴于此，结合太赫兹脉冲电场窄脉宽高信噪比特性与椭偏测量原理，本文提出了一种基于光弹性效应的光电子学空间电荷测量方法，并构建了电荷测量全过程光-电-机械多态信号传变模型。针对测量系统关键传感器，结合分子动力学模拟，提出了以SU-8光刻胶为基体、羟基功能化石墨烯为物理掺杂的光弹性材料改性设计方法，完成了高可靠弹光传感器的研制。进一步，搭建椭偏传感探测系统，对所研发的传感器测量性能开展实验验证，并讨论了测量误差的主要诱因。本文工作可为高时空分辨率空间电荷快速测量技术的发展提供必要基础。
本文所提出光电子学空间电荷测量系统建立于传感器光弹性效应及激光偏振态测量之上，其测量方法如图1所示。本方法采用飞秒脉冲激光作为泵浦光。当飞秒激光穿过电光晶体时，基于光整流效应，将发生差频振荡，并向外辐射太赫兹脉冲。高阻硅片阻隔残余飞秒脉冲泵浦光后，所生成太赫兹脉冲光电场分量将扰动被测试样中积聚的空间电荷，使其发生微小位移，并产生包含电荷信息的扰动弹性波，最终传导于弹光传感器并被其接收响应。
图1 光电子学空间电荷测量方法
Fig.1 Space charge measurement method based on optoelectronics
采用氦氖连续激光作为探测光，经由光学斩波器调制采样后，入射弹光传感器。当被测试样中不存在空间电荷积聚时，太赫兹光电场作用下将不会有弹性波产生，传感器仍保持各向同性，探测激光通过后偏振状态不会受到影响，仍保持圆偏振态，因而，经沃拉斯顿棱镜分解产生的两束激光光强相等，平衡探测器输出为0；相反，当试样内部存在空间电荷积聚时，光电场作用将造成电荷扰动弹性波的产生，基于应力双折射效应，传感器折射率将实时响应外施扰动弹性波变化。当探测光通过时，其将由圆偏振态变为椭圆偏振态，经沃拉斯顿棱镜分解产生的两束激光光强将存在差异，且该光强差幅值与外施弹性波大小呈正相关关系。平衡探测器将捕捉此类光强变化，并与斩波器所采样的参考信号比较，经锁相放大器降噪处理后，实现对外施电荷扰动弹性波的测量。经后期恢复算法处理，获得试样中空间电荷分布状态。
综上所述，本文电荷测量系统方案核心设计思路为采用太赫兹脉冲电场作为激励扰动绝缘介质内部空间电荷产生弹性波，并基于应力双折射效应及椭圆偏振测量原理，采用氦氖激光实现弹性波的连续实时测量以反演恢复空间电荷分布。在电荷测量过程中，弹光传感器是实现空间电荷高分辨快速探测的基础，因此将是后文研究的重点。
如图1所示，电荷测量过程中涉及飞秒脉冲激光-太赫兹脉冲电场—电荷弹性波—传感器折射率—探测光偏振态的转换，光—电—机械测量信号传变复杂。厘清各测量环节信号传变机制，是实现空间电荷积聚与分布特性定量表征的基础，因此，本节依次对各环节传变机制及其数学建模方法进行了研究。
1.2.1 飞秒脉冲激光—太赫兹脉冲电场—电荷弹性波传变机制及量化表征
首先，对飞秒脉冲激光与太赫兹脉冲电场传变过程展开分析。基于光整流效应所产生太赫兹脉冲光电场强度
，受飞秒激光光电场幅值及电光晶体非线性极化强度影响，其关系可表示为
（1）
式中，d14为非线性光学极化率；k为转换系数；Efs为飞秒脉冲泵浦激光光电场强度幅值[20]。
当所生成太赫兹脉冲垂直入射试样表面时，其光电场分量将扰动试样内部空间电荷并产生弹性波，所产生弹性波传递至弹光取样传感器处并由其接收。基于弹性波产生传播过程，构建太赫兹脉冲电场与扰动电荷所产生弹性波传变关系。在此之前，需进行一定的假设：①仅考虑弹性波传播方向上的弹性波传播与电荷积聚；②弹性波传播过程中，不存在衰减与色散；③太赫兹脉冲电场分量仅对电荷起扰动的作用，不改变其分布；④试样材料自身对太赫兹脉冲无吸收作用。
由此，在厚度为∆x的介质中，太赫兹光电场ETHz(x)与电荷作用产生的弹性波
可表示为
（2）
式中，ρ(x)为材料内的空间电荷密度。
电荷扰动产生的弹性波将在单方向上传播，若传播速度为v，则在x=d处的弹性波分量为
（3）
令x=vτ，则空间电荷体密度r(τ)为
（4）
因此，代入式（1）整理可得，在太赫兹脉冲作用下，绝缘介质空间电荷生成的弹性波表达式为
（5）
1.2.2 电荷弹性波—传感器折射率传变模型
电荷扰动弹性波的加载，将造成传感器发生微小形变，进而导致折射率发生变化，该现象被称为光弹性效应，又称为应力双折射效应。一般通过引入材料介电张量的倒数逆介电张量β对该现象进行表征[21]。在β的主轴坐标系下，可构建逆介电张量与折射率关系（折射率椭球方程）为
（6）
式中，x1、x2和x3分别为晶体的三个主轴取向；n0为各向同性材料初始折射率。当材料受到应力作用时，弹光效应所引起的折射率椭球变化可表示为
进一步，引入应力压光系数（光弹系数）张量p将逆介电张量改变量∆β与应力σ相联系，可以将其关系表示为
（8）
当应力波σ1沿x1轴施加于传感器时，折射率椭球方程可表示为
（9）
进一步，解得主轴折射率之间存在关系
（10）
由式（10）可得，在单向应力波作用下，传感器主轴方向折射率均与外施应力存在对应关系，其折射率变化量主要受到材料应力压光系数及应力大小影响。当探测光通过时，在其不同偏振方向上的传播光程将随主轴折射率的变化而发生改变，从而产生相位差δ，可表示为
（11）
由式（11）可得，光弹性效应所造成的探测光相位差变化与外施弹性波大小呈正相关，可通过对偏振光相位差进行测量实现对外施应力的测量。
1.2.3 探测光偏振状态的传变与检测模型
结合本文所提出的椭圆偏振测量平台设计方案，为实现偏振光相位差的测量，探测激光需依次经过偏振片、传感器、1/4波片及沃拉斯顿棱镜，最终由平衡探测器实现光电信息转换完成测量。探测光传播过程中，传感器及光学镜组都将会对探测光偏振状态产生影响。
使用Stokes矢量以表征探测光偏振态变化，本方案探测光为氦氖激光，为随机偏振光，可表示为
（12）
式中，I分别为不同偏振方向的偏振光强；S0为总入射光强度；IL、IR分别为左旋偏振光和右旋偏振光的光强。
使用Mueller矩阵描述系统方案中线性光学元件改变光波偏振状态的能力。当探测光顺序通过偏振片、传感器、1/4波片及沃拉斯顿棱镜时，其Mueller矩阵依次为Mp、Mg、Mb以及Mw，则出射光Sout与入射光Sin间关系可表示为
（13）
则偏振片Mueller矩阵Mp可表示为
（14）
式中，θ为偏振片与1/4波片快轴方向夹角。
在未受到弹性波作用时，传感器呈各向同性，不会影响探测激光偏振状态，其Mueller矩阵Mg可表示为1。
1/4波片的Mueller矩阵Mb可表示为
（15）
沃拉斯顿棱镜可以将偏振光分成两束正交的线偏振光再射出，其中符合折射定律的记为o光，光强为Iwo，不符合折射定律的记为e光，光强为Iwe，其Mueller矩阵Mwo及Mwe可表示为
（16）
综上所述，基于式（13）出射光Sout与入射光Sin间关系，沃拉斯顿棱镜出射o光及e光可分别表示为
（17）
进一步，计算获得出射o光及e光的光强差为
（18）
如式（18）所示，可通过调节夹角θ至合适角度，使平衡探测器所探测初始光强差为0，从而实现对系统的调零操作，以排除外界因素对测量的影响。当存在外施弹性波加载时，传感器主轴方向折射率将发生变化。结合式（11）可知，探测光通过后将产生相位差δ，经由1/4波片相位延迟，通过沃拉斯顿棱镜后的两束光的光强可分别表示为[22]
（19）
进一步地，可计算外施弹性波加载情况下，出射o光及e光光强差为
（20）
由式（20）可知，鉴于材料光弹系数等参量量级较小，可在一定区间内认为平衡探测器所检测光强差∆I与作用于传感器上应力σ近似成正比关系。因此，在太赫兹脉冲电场表达式确定的情况下，结合平衡探测器输出结果，可通过测量获得的电荷扰动弹性波波形反演恢复空间电荷分布情况。
上文中通过构建测量信号全过程传变表征模型，对所提出的空间电荷光学测量系统可行性从理论角度进行了论证，同时由式（20）可得，所探测光强差的大小受传感器光弹系数等性能指标的直接影响。因此，设计研发高灵敏高可靠弹光传感器，是实现电荷高分辨精准测量的必要基础。
光弹系数是影响传感器测量灵敏性的关键因素，属于材料的本征属性，用以表征外部应力作用与材料形变所导致折射率变化的比例关系，主要通过基体材料遴选加以调控。同时，鉴于高频瞬变电应力下新能源电力系统装备绝缘工作温度区间一般为25～60℃，存在较大温度跨度，因此，为开展实际工况下电荷积聚特性的研究，传感器不同温度下的力学性能稳定也成为实现高可靠测量的前提条件。综合上述考虑，本文拟从传感器基体材料遴选出发，通过材料改性手段，研发高可靠弹光传感器。
SU-8光刻胶具有优秀的机械、力学及光学性能，并且在表现出各向同性特性的同时，仍具备高透光性以及高弹光系数等特征，因而，本文拟选取其为传感器基体材料，并以此开展改性设计，其分子结构如图2所示。
图2 SU-8光刻胶分子结构
Fig.2 Molecular structure of SU-8 photoresist
首先，参照图2所示分子结构，构建SU-8光刻胶分子模型，并对其开展能量与几何最优化处理，使其分子构型更为合理。进一步，利用优化模型开展交联反应的模拟，在紫外曝光条件下，SU-8胶中所含的光致产酸剂三苯基硫盐将发生光化学反应，产生光酸，光酸将作为催化剂，促使SU-8胶分子中的环氧基与其距离最近的反应活性部位上的Ｃ原子发生以链式增长为主的交联反应，其交联反应原理如图3所示。
图3 SU-8胶的交联反应原理
Fig.3 Cross-linking reaction principle of SU-8 photoresist
参考纯环氧树脂交联反应建模方法[23]，同时考虑到所构建体系无法开展过于复杂反应的模拟，本文针对SU-8胶的交联反应过程进行了一定的简化处理，即忽略酸催化剂对交联反应的影响，且仅考虑SU-8胶分子间的一次交联。基于上述简化，通过perl脚本进行SU-8胶交联反应的模拟，具体步骤如下：首先，对所构建SU-8胶模型反应活性部位进行标记，并设置交联反应发生区间为4～10Å(1Å=
)；进而，进行动力学弛豫，当SU-8胶分子体系中反应活性部位之间的距离是所有可能反应对中最小且处于反应距离内时，通过脚本实现反应活性部位的自动连接，并将已交联部位从反应活性部位列表中移除；不断重复上述模拟过程，直到达到最大反应距离或者设定交联度为止。进一步，分别在正则系综（NVT系综）及等温等压系综（NPT系综）下，对所构建交联SU-8胶模型进行动力学弛豫，使模型体系结构保持稳定，并接近实际密度。
对所构建交联SU-8胶模型力学性能开展模拟计算，并将所获得结果与L. Dellmann等实验测量所获得结果进行比较，实验测量与分子模拟所获得弹性模量比较见表1[24-27]。通过对比发现，模拟获得SU-8胶体系弹性模量与实验获得参数虽有一定误差，但基本处于同一区间范围之内。考虑到开展分子动力学模拟时所构建模型受体系分子量的限制，并需预先假设所有粒子运动都遵循牛顿运动定律，故模拟和实验结果之间存在一定程度的误差是难以避免的。综上所述，可认为本文所构建交联SU-8胶体系具备一定的等价性，同时所采用的分子动力学算法是有效可靠的，可基于所构建模型，进一步开展改性设计。
表1 实验测量与分子模拟所获得弹性模量比较
Tab.1 Comparison of elastic moduli between experimental measurements and molecular simulations
文献测量方法弹性模量/GPa（实验测量） [24]测量悬臂梁法4.95±0.42 [25]测量悬臂梁法3.5～7.5 [26]测量激光超声3.8～5.4 [27]测量纳米压痕4±0.2 本文模拟—4.621 7
鉴于单层石墨烯碳纳米材料光在探测光波段光吸收率接近0，同时具备极好的导热及热稳定性能，本文针对以石墨烯为掺杂分子的SU-8胶改性设计方案开展了仿真研究。首先，分别构建单层石墨烯分子以及羟基功能化、羧基功能化以及氨基功能化三种改性石墨烯分子[28]，并将其与SU-8胶分子掺杂。基于交联反应原理，对反应活性部位进行标记，分别构建SU-8胶/石墨烯（SU-8/GR）、SU-8胶/羟基功能化石墨烯（SU-8/HFGR）、SU-8胶/羧基功能化石墨烯（SU-8/CFGR）以及SU-8胶/氨基功能化石墨烯（SU-8/AFGR）四种模型。其中，所构建模型中石墨烯质量百分比均设置在0.5%左右，以保证混合体系具备最佳的层间粘结强度与力学性能[29]。进而，在278～348K温度区间内，以10K为温度间隔，针对各模型分别开展五组动力学模拟与力学性能计算，对所获得各体系弹性模量和泊松比进行平均化处理，结果如图4所示。
求取方均差，以评估不同温度下所构建体系力学性能稳定性，结果见表2。
对比发现，SU-8胶及其复合体系弹性模量与泊松比均呈现随温度升高而下降的趋势，同时，较未改性体系，SU-8胶/石墨烯复合体系力学稳定性均有较大提升。其中，SU-8胶/羟基功能化石墨烯混合体系在278K～348K温度区间内，平均弹性模量为4.420 9GPa，方均差为0.146 6，平均泊松比为0.208 1，方均差为0.009 8，呈现了较好的热稳定性。究其原因，认为在交联过程中，羟基功能基团与环氧基发生反应，造成环氧基开环，同时，开环后所生成的羟基进一步与环氧基反应，使石墨烯与SU-8胶之间形成更为紧密的键的联系。因此，羟基功能化石墨烯的引入，可有效减少温度上升对SU-8胶力学性能的影响，保持力学性能的稳定。综上所述，拟选用以SU-8胶为基体，羟基功能化石墨烯为掺杂分子的改性设计思路，作为传感器的制备方案。
图4 不同温度下SU-8胶/石墨烯体系力学性能演化
Fig.4 Mechanical properties evolution of SU-8 photoresist/graphene system at different temperatures
表2 不同温度下SU-8胶复合体系力学性能稳定性比较
Tab.2 Comparison of mechanical properties stability of SU-8 photoresist/graphene system
复合体系弹性模量泊松比 平均值/GPa方均差平均值方均差 SU-84.406 40.508 80.192 70.033 6 SU-8/GR4.779 30.316 70.190 70.019 9 SU-8/HFGR4.420 90.146 60.208 10.009 8 SU-8/CFGR4.300 30.344 70.190 80.032 7 SU-8/AFGR4.882 40.422 00.198 60.020 6
参考电声脉冲测量系统所用聚偏氟乙烯（Polyvinglidene Fluoride, PVDF）传感器尺寸，综合考虑探测激光光斑面积，确定传感器形状为圆形，尺寸为φ10mm。进而，基于光刻工艺，研制弹光传感器，如图5所示，SU-8胶结构层制备流程如下：
（1）热氧化：取单晶硅片清洗处理后，放入马弗炉中进行热氧化，设定热氧化温度为1 100℃，时间为2h，在其表面形成一层致密SiO2。
（2）涂胶Ⅰ：将适量Omnicoat光刻胶滴附于硅片，控制匀胶机以950r/min旋转30s，旋涂获得Omnicoat牺牲层，进而，进行烘烤处理。
（3）涂胶Ⅱ：通过长时间超声使羟基功能化石墨烯与SU-8光刻胶溶液混合均匀，将适量混合溶液滴附于牺牲层之上，控制匀胶机以500r/min旋转30s，旋涂获得改性SU-8胶层。
（4）曝光：设定紫外曝光功率为40mW/cm2，曝光时间为30s，调整掩膜版位置，实现圆形传感器结构图形向SU-8胶层的转移。
（5）显影Ⅰ：采用SU-8专用显影液进行显影，获得具有传感器结构的SU-8胶结构层，显影充分进行后，用去离子水将基片清洗并干燥处理。
（6）显影Ⅱ：采用MF-319显影液进行显影，获得具有传感器结构的Omnicoat牺牲层，显影充分进行后，再次进行清洗、干燥以及硬烘处理。
（7）腐蚀释放：将硅片放入专用去胶液中，腐蚀Omnicoat牺牲层，实现SU-8胶结构层的释放。
图5 弹光传感器制备流程
Fig.5 Preparation process of elasto-optical sensor
通过纳米压痕测试对所制备SU-8结构层力学性能进行评估，测量得到其弹性模量为4.172 8GPa。同时，采用原子力显微镜对其表面粗糙度进行评估，观测到其表面存在±20nm突起和凹陷，表面较为光滑。进一步，将SU-8胶结构层与Si反射基底相结合，制备获得弹光传感器，如图6所示。
图6 弹光取样传感器实物图
Fig.6 Elasto-optical sampling sensor
本节进一步设计并搭建了椭偏传感探测系统，拟从实验角度对传感器测量性能进行评估验证，其测量原理与所提出光学电荷测量系统探测部分一致，如图7所示。图中红色加粗线条表示激光的传播路径，所选的氦氖激光源工作波长为632.8nm；传感器为自主设计弹光传感器；平衡探测器与斩波器及锁相放大器配合使用，对输出信号进行降噪处理。
图7 椭偏传感探测系统
Fig.7 Ellipsometry measurement platform
由于电荷测量过程中，空间电荷扰动弹性波的产生源于光电场扰动电荷时所产生的微小位移，因此，拟通过对试样施加外部应力，使其发生微弱形变产生扰动弹性波，以模拟实际电荷扰动弹性波的产生与传播。同时，鉴于电荷扰动弹性波波形特征主要受所施加激励的影响，考虑到光电子学测量方法中选用太赫兹脉冲光电场为激励，因而，电荷扰动弹性波也将呈现相似的kHz重复频率、ps脉宽波形特征。因此，所搭建实验平台中，选用压电促动器作为kHz级重复正弦弹性波输入源，选用飞秒激光器作为fs脉宽脉冲弹性波输入源，用以分别模拟空间电荷受扰动产生kHz频率、fs脉宽弹性波的情景。进而，将椭偏传感系统测量结果与传统电声脉冲测量系统压电传感模块测量结果进行比对，以实现对所研发传感器测量性能的评估验证。
3.2.1 kHz重复正弦弹性波的追踪测量
施加频率分别为0.5～1kHz的正弦电压于压电促动器，使其输出相应弹性波，平衡探测器输出测量结果如图8所示，图中曲线代表施加kHz正弦弹性波下平衡探测器输出电压的变化情况。
图8 kHz正弦弹性波下平衡探测器输出结果
Fig.8 Output of balanced detector under kHz sinusoidal elastic waves
如图8所示，平衡探测器输出电压波形与压电促动器所施加弹性波有较高的一致性，呈现较好的正弦波形，且其输出电压频率也与所施加弹性波频率保持一致，但是，电压输出在0值与最大值处存在部分振荡现象。分析认为，振荡发生的主要原因是由于压电促动器自身物理参数限制，当促动器外施驱动电压在0值与最大值处时发生幅值增减方向变换时，其运动状态难以随电压改变而发生突变，因而存在迟滞及漂移现象，导致其所输出弹性波呈现振荡[30-31]。在实际电荷测量过程中，鉴于太赫兹脉冲高信噪比特性，因而所产生电荷扰动弹性波振荡较小，电荷弹性波源于光电场扰动电荷时所产生的微小位移，不会对传感器探测结果造成过大影响。
3.2.2 飞秒脉宽脉冲弹性波的追踪测量
控制飞秒脉冲激光源输出400fs脉宽脉冲波，分别作用于弹光传感器与电声脉冲测量系统压电传感模块，输出测量结果如图9所示。
图9 飞秒脉宽脉冲弹性波下传感器输出结果
Fig.9 Output of detector under femtosecond pulse width elastic wave
如图9所示，弹光传感器与压电传感模块均可对外施飞秒脉冲弹性波响应，经锁相放大器处理后，平衡探测器输出电压幅值为mV量级，与压电传感模块输出信号量级相同。进一步比较发现，平衡探测器输出与飞秒脉冲激光参考波形一致，光滑且无畸变发生，但由于现有平衡探测器带宽无法满足飞秒级脉冲光波的测量，同时，传感器较厚，导致弹性波在其内部传播时间较长，造成测量结果发生了一定展宽。压电传感模块虽由于其1μm传感器厚度优势，输出波形展宽程度较小，但波形发生了一定畸变，存在较大的过冲与振荡。分析认为，在压电传感模块中，由压电传感器电容与信号放大器电感所组成的滤波电路是造成输出波形发生过冲与振荡的主要原因[32]，现主要通过恢复算法进行后期处理。相反，椭偏测量平台采用全光路设计，电气连接较少，有效地减少了电气量对测量结果的影响，且探测激光信噪比较高。因而，与压电传感模块相比，平衡探测器输出与飞秒脉冲激光器的参考波形一致性更高，且不存在过冲与振荡。在实际电荷测量过程中，鉴于激励为ps脉宽量级，且可通过控制涂胶过程中溶液浓度、旋转速度及时间，实现更薄的弹光传感器制备，有效减少波形展宽对测量结果的影响。
综上所述，所研发弹光取样传感器，可实现kHz级重复弹性波与fs脉宽脉冲弹性波的追踪测量，相较于电声脉冲所用压电传感模块，测量波形光滑且无畸变，具备较高可靠性，可应用于光学测量方法。
1）结合太赫兹脉冲窄脉宽高信噪比特性与椭圆偏振测量原理，本文提出了一种基于光弹性效应的光电子学空间电荷测量方法，并构建了光—电—机械测量信号传变表征模型。模型分析指出，空间电荷受太赫兹脉冲电场扰动所产生的弹性波与平衡探测器检测的光强差近似成正比，从理论层面验证了方案可行性。
2）针对测量系统关键传感器部分，基于分子动力学模拟，提出了以SU-8光刻胶为基体、羟基功能化石墨烯为掺杂分子的传感器材料改性设计方法。仿真发现，复合体系弹性模量与泊松比呈现随温度升高而下降趋势，同时，较未改性体系，其力学稳定性有较大提升，平均弹性模量为4.420 9GPa，方均差为0.146 6，平均泊松比为0.208 1，方均差为0.009 8。进一步地，基于光刻工艺，完成了高可靠弹光传感器制备研发。
3）基于所提出光学测量方法，设计并搭建椭偏传感探测系统，对传感器测量性能进行了实验验证。实验发现，在使用锁相放大器的情况下，平衡探测器输出电压幅值为mV量级，与传统电声脉冲压电传感模块输出信号量级相同。同时，所研发弹光传感器可实现kHz级重复弹性波与fs脉宽脉冲弹性波的追踪测量，相较于电声脉冲所用压电传感模块，测量波形光滑且无畸变，但受限于平衡探测器带宽与传感器厚度，测量结果发生了一定展宽。
4）鉴于太赫兹脉冲脉宽仅为ps级别且能量较飞秒激光稍弱，并且探测系统由多种电学、光学元器件组成，测量过程中信号传播与转换过程复杂，在实际电荷测量过程中仍有诸多问题需要解决。为基于所提出光电子学方法开展空间电荷测量，仍需针对高功率太赫兹激励发生、激励与极化电场可靠加载、百纳米厚度光弹性材料制备、电荷信息反演恢复等关键技术开展更深层次的探索。
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Abstract The alternative electrical power system equipment such as power electronic transformer is the core component of the distributed and renewable energy grid, facing the development needs to large capacity, compact and high voltage level. However, the development of power electronics technology reduces the size of electrical equipment, but also puts higher requirements on its insulation performance. Compared to the traditional electrical equipment, due to the direct exposure to the high frequency class sine wave, transient PWM switching pulse and other strong field special electrical stress, the operating condition of the alternative electrical power system equipment is worse.
To support the reliable insulation design and state evaluation of alternative electrical power system equipment under the complex transient stress, based on the narrow pulse width and high signal-to-noise ratio characteristics of terahertz wave and the principle of the ellipsometry detection method, a space charge measurement method with high spatial and temporal resolution is proposed, and the transmission model of photo-electro-mechanical charge measurement signal is constructed. The model analysis points out that the space charge elastic wave generated by the perturbation of the electric field is approximately proportional to the light intensity difference detected by the balanced detector. Combined with the terahertz photoelectric field characterization model, it is feasible to recover space charge distribution by measuring the light intensity difference. The related work verified the feasibility of the proposed method from the theoretical level.
Aiming to the key sensing detection part of the measurement system, based on molecular dynamics simulation, the design and modification of the elasto-optical sensor substrate material are carried out. Meanwhile, the modified design idea of sensor material based on SU-8 photoresist and hydroxylated functionalized graphene is proposed. The simulation results point out that the elastic modulus and Poisson's ratio of the SU-8/HFGR composite system shows a decreasing trend with the increase of temperature. Compared with the unmodified system, the mechanical stability of the composite system is improved. The average elastic modulus of the composite system is 4.420 9 GPa with a mean squared error of 0.146 6, and the average Poisson's ratio is 0.208 1 with a mean squared error of 0.009 8. Further, based on the photolithography principle, the highly reliable elasto-optical sensor is prepared.
Further, based on the proposed optical measurement method, an ellipsometry measurement platform is designed and built. Since the charge perturbation elastic wave presents kHz repetition frequency and picosecond pulse width waveform characteristics, the piezoelectric actuator is selected as the kHz level repetition sinusoidal elastic wave input source, and the femtosecond laser is selected as the femtosecond pulse width pulsed elastic wave input source, so as to respectively simulate the space charge perturbed to produce kHz frequency and fs pulse width elastic wave scenarios. Then, the measurement results of the ellipsometry measurement platform are compared with the piezoelectric sensing module of the conventional electroacoustic pulse measurement system to verify the measurement performance of the developed sensor. The experimental results shows that the output voltage of the balanced detector is mV level, which is consistent with the traditional PEA piezoelectric sensor module. At the same time, the sensor could be used in optical measurement with high reliability to catch the kHz repeated elastic waves and fs pulse width elastic waves. Compared with the piezoelectric sensor module, the measurement waveform of the elasto-optical sensor is smoother and less distortion.
keywords：Space charge, photo-elastic effect, ellipsometric measurement, elasto-optical sensor
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221189
中图分类号：TM93
国家自然科学基金（52127812，51737005，51929701）和中央高校基本科研业务费专项资金（2022MS007）资助项目。
收稿日期 2022-06-21
改稿日期 2022-10-27
高浩予 男，1997年生，博士研究生，研究方向为固体电介质空间电荷测量技术。E-mail：hygaoeee@163.com
任瀚文 男，1994年生，讲师，研究方向为高电压与绝缘技术。E-mail：rhwncepu@ncepu.edu.cn（通信作者）
（编辑 郭丽军）