應用壓電陶瓷測量光壓

龍 騰，趙改清，杜炳清，李旭文，唐夏冰

(深圳大學 物理與能源學院,廣東 深圳 518020)

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應用壓電陶瓷測量光壓

龍 騰，趙改清，杜炳清，李旭文，唐夏冰

(深圳大學 物理與能源學院,廣東 深圳 518020)

利用壓電陶瓷測量了非真空環境下激光和LED的光壓，并設計實驗排除了熱效應以及光伏效應. 實驗結果表明：照射光強和壓電片的放電電流成線性關系，可以通過檢測放電電流測量光壓，并且對光頻率沒有限制. 實驗測得標稱值為0.2 W的激光和1 W的LED的光壓分別在10-10N和10-9N數量級.

光壓；壓電陶瓷；放電電流

選題源于“廣東省第16屆大學生物理實驗設計大賽”題目2：光壓的測量. 題目基本要求：設計、制作能夠演示光壓現象的實驗裝置，測定光壓的大小，并討論光壓與相關物理量的關系. 光壓是光的粒子性的表現，測量非常困難，而且光和熱往往是伴隨的，例如最早的“光壓風車”后來被證明是熱輻射效應，光壓測量通常需要高真空的環境和高靈敏度的儀器. 本文采用壓電陶瓷測量光壓，在非真空環境下對不同頻率的光壓進行了測量和對比.

1 理 論

把光束看成由光子組成的粒子流，每個粒子撞擊在壓電陶瓷上都會發生動量改變，那么相應的壓電陶瓷就會受到粒子流的沖力而極化出電荷，極化電荷的多少和壓電陶瓷所受壓力有關，通過檢測電荷數可以確定光的壓力. 下面從理論角度分析可行性.

光子的動量由德布羅意關系給出：

(1)

設光子與物質的作用時間是Δτ,壓電陶瓷片的壓電系數為D33. 如果1個光子被反射時可激發的電荷為

(2)

如果1個光子被吸收可激發的電荷為

(3)

如果光束的功率為P,那么單位時間撞擊在壓電陶瓷上的光子數N為

(4)

陶瓷的反射率為R，單位時間內壓電陶瓷積累的電量為

(5)

其中，R=0.3,D33=5.8×10-10C·N-1,Δτ=10-9s，P=0.2 W，代入(5)式計算得每秒釋放的電荷數為

在現代技術中0.5 nC·s-1的電荷量是完全可檢測到的，由此可見，用壓電陶瓷來檢測光壓是可能實現的[1].

2 實 驗

2.1 測量激光的光壓

用波長為532 nm，功率為0.2 W，光斑半徑1 mm的綠色激光照射壓電陶瓷，用電荷傳感器測量壓電陶瓷的放電過程. 得到放電曲線如圖1所示，圖中曲線的斜率代表放電電流. 由圖1可看出，在剛開始光照時放電速度基本為0.3 nC·s-1，這和理論分析中得到的0.5 nC·s-1在同一數量級.

圖1 壓電片電荷隨時間變化的曲線

在光子與物質作用的時間內，積累的電量為

Q′=3×10-19C,

對應的光壓力為

理論值為

理論值偏大，考慮原因為激光筆是電池供電，實際照在壓電片上的功率比標稱值0.2 W要小，而由于條件所限，沒能測量到實際照在壓電片上的光功率[2].

2.2 放出電荷和光強變化的線性度

用1 W的LED照射壓電陶瓷，通過控制LED的工作電流I控制不同的發光強度，測量不同強度的光照射下壓電片的放電電流I0，實驗數據見表1，得到放電曲線如圖2 所示.

由圖2可見：

1) 光強和放電電流是線性關系，說明可以通過檢測放電電流測量光壓；

表1 LED的光壓實驗數據

圖2 工作電流和放電電流的關系

2) 相同的工作電流下，藍光照射時放電電流較紅光大，這是因為相同的電流下，藍光的功率比紅光大.

2.3 熱效應的排除

考慮到力是瞬時的，而熱現象有慣性，如果讓光強明暗交替變化，那么加載在壓電片上的力也交替變化，如果光強變化的頻率足夠快，熱效應將無法跟隨光強變化的頻率快速變化. 基于此，采用大功率LED光照射壓電陶瓷，用不同頻率的方波激勵LDE，用計算機實測壓電陶瓷兩端的電壓變化，如圖3所示.

(a)f=2 000 Hz

(b)f=5 000 Hz圖3 壓電片對光強變化頻率的響應

由圖3可以看出，光強明暗變化的頻率在5 kHz以上時，壓電片的電壓跟隨光強的明暗做同樣的周期變化，這充分說明:電荷的產生絕對不是熱效應所致，因為熱效應有慣性，而力是瞬時的，符合實驗現象.

2.4 排除光伏效應

使用測量太陽能電池伏安特性的測試系統(Solar IV系列)，分別測試在無模擬太陽光照射和有模擬太陽光照射下壓電陶瓷器件的伏安特性曲線，如圖4所示.

圖4 壓電陶瓷器件的伏安特性曲線

從圖4中可以看到：有無模擬太陽光照射，壓電陶瓷器件的伏安特性曲線幾乎重合，而且壓電陶瓷器件的伏安特性曲線都顯示出典型的半導體伏安特性曲線特征，沒有明顯的光伏效應[3].

從理論上分析，壓電陶瓷的材料為鋯鈦酸鉛，其禁帶寬度為3.5 eV,要產生光伏效應必須滿足

3 結 論

從理論上和實驗上論證用壓電陶瓷測量光壓的可能性，得到如下結論：

1)照射光強和壓電片的放電電流成線性關系，可以通過檢測放電電流測量光壓；

2)壓電片測量光壓沒有頻率限制，藍光和紅光都能測量；

3)實驗測量出標稱值為0.2W的激光和1W的LED的光壓分別在10-10N和10-9N的數量級，和理論值在同一數量級，產生誤差的主要原因在于沒有條件精確測量照在壓電片上的光功率.

[1] 楊曉鸞.PZT/Ag2O-NPs/PZT復合薄膜的光電特性[D]． 蘇州：蘇州大學，2012．

[2] 李成仁，崔金松，呂翎. 光壓的演示[J]． 物理實驗，1997,17(1):25．

[3] 張福學，王麗坤. 現代壓電學(上冊中冊)[M]. 北京：科學出版社,2002：26-32.

[4] 呂勝利，呂國志. 壓電結構的熱效應分析[J]. 振動與沖擊，1999,18(2)：48-52.

[責任編輯：任德香]

Measuring light pressure using piezoelectric ceramic

LONG Teng, ZHAO Gai-qing, DU Bing-qing, LI Xu-wen, TANG Xia-bing

(Collge of Physics and Energy, Shenzhen University, Shenzhen 518020, China)

The light pressure of laser and LED was measured using piezoelectric ceramic in non-vacuum environment, the thermal effect and photovoltaic effect were ruled out. The results showed that the discharge current of the piezoelectric element was proportional to the irradiation intensity, thus light pressure could be measured by testing the discharge current. There was no limit to light frequency. The light pressure of 0.2 W laser has been reached the order of 10-10N range, and 1 W LED about 10-9N.

light pressure; piezoelectric ceramic; discharge current

2016-04-26；修改日期：2016-05-17

龍 騰(1995-)，男，廣東深圳人，深圳大學物理與能源學院2013級本科生.

指導教師：趙改清(1970-)，女，內蒙古呼和浩特人，深圳大學物理與能源學院副教授，學士，主要從事大學物理及實驗教學工作.

O431.1

A

1005-4642(2016)11-0020-03