應(yīng)用壓電陶瓷測(cè)量光壓

龍 騰，趙改清，杜炳清，李旭文，唐夏冰

(深圳大學(xué) 物理與能源學(xué)院,廣東 深圳 518020)

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應(yīng)用壓電陶瓷測(cè)量光壓

龍 騰，趙改清，杜炳清，李旭文，唐夏冰

(深圳大學(xué) 物理與能源學(xué)院,廣東 深圳 518020)

利用壓電陶瓷測(cè)量了非真空環(huán)境下激光和LED的光壓，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)排除了熱效應(yīng)以及光伏效應(yīng). 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：照射光強(qiáng)和壓電片的放電電流成線性關(guān)系，可以通過檢測(cè)放電電流測(cè)量光壓，并且對(duì)光頻率沒有限制. 實(shí)驗(yàn)測(cè)得標(biāo)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(shù)量級(jí).

光壓；壓電陶瓷；放電電流

選題源于“廣東省第16屆大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)大賽”題目2：光壓的測(cè)量. 題目基本要求：設(shè)計(jì)、制作能夠演示光壓現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)定光壓的大小，并討論光壓與相關(guān)物理量的關(guān)系. 光壓是光的粒子性的表現(xiàn)，測(cè)量非常困難，而且光和熱往往是伴隨的，例如最早的“光壓風(fēng)車”后來被證明是熱輻射效應(yīng)，光壓測(cè)量通常需要高真空的環(huán)境和高靈敏度的儀器. 本文采用壓電陶瓷測(cè)量光壓，在非真空環(huán)境下對(duì)不同頻率的光壓進(jìn)行了測(cè)量和對(duì)比.

1 理 論

把光束看成由光子組成的粒子流，每個(gè)粒子撞擊在壓電陶瓷上都會(huì)發(fā)生動(dòng)量改變，那么相應(yīng)的壓電陶瓷就會(huì)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(guān)，通過檢測(cè)電荷數(shù)可以確定光的壓力. 下面從理論角度分析可行性.

光子的動(dòng)量由德布羅意關(guān)系給出：

(1)

設(shè)光子與物質(zhì)的作用時(shí)間是Δτ,壓電陶瓷片的壓電系數(shù)為D33. 如果1個(gè)光子被反射時(shí)可激發(fā)的電荷為

(2)

如果1個(gè)光子被吸收可激發(fā)的電荷為

(3)

如果光束的功率為P,那么單位時(shí)間撞擊在壓電陶瓷上的光子數(shù)N為

(4)

陶瓷的反射率為R，單位時(shí)間內(nèi)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(jì)算得每秒釋放的電荷數(shù)為

在現(xiàn)代技術(shù)中0.5 nC·s-1的電荷量是完全可檢測(cè)到的，由此可見，用壓電陶瓷來檢測(cè)光壓是可能實(shí)現(xiàn)的[1].

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 測(cè)量激光的光壓

用波長(zhǎng)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(cè)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(shí)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(shù)量級(jí).

圖1 壓電片電荷隨時(shí)間變化的曲線

在光子與物質(zhì)作用的時(shí)間內(nèi)，積累的電量為

Q′=3×10-19C,

對(duì)應(yīng)的光壓力為

理論值為

理論值偏大，考慮原因?yàn)榧す夤P是電池供電，實(shí)際照在壓電片上的功率比標(biāo)稱值0.2 W要小，而由于條件所限，沒能測(cè)量到實(shí)際照在壓電片上的光功率[2].

2.2 放出電荷和光強(qiáng)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(fā)光強(qiáng)度，測(cè)量不同強(qiáng)度的光照射下壓電片的放電電流I0，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1，得到放電曲線如圖2 所示.

由圖2可見：

1) 光強(qiáng)和放電電流是線性關(guān)系，說明可以通過檢測(cè)放電電流測(cè)量光壓；

表1 LED的光壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 工作電流和放電電流的關(guān)系

2) 相同的工作電流下，藍(lán)光照射時(shí)放電電流較紅光大，這是因?yàn)橄嗤碾娏飨?，藍(lán)光的功率比紅光大.

2.3 熱效應(yīng)的排除

考慮到力是瞬時(shí)的，而熱現(xiàn)象有慣性，如果讓光強(qiáng)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(qiáng)變化的頻率足夠快，熱效應(yīng)將無法跟隨光強(qiáng)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(lì)LDE，用計(jì)算機(jī)實(shí)測(cè)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(duì)光強(qiáng)變化頻率的響應(yīng)

由圖3可以看出，光強(qiáng)明暗變化的頻率在5 kHz以上時(shí)，壓電片的電壓跟隨光強(qiáng)的明暗做同樣的周期變化，這充分說明:電荷的產(chǎn)生絕對(duì)不是熱效應(yīng)所致，因?yàn)闊嵝?yīng)有慣性，而力是瞬時(shí)的，符合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

2.4 排除光伏效應(yīng)

使用測(cè)量太陽能電池伏安特性的測(cè)試系統(tǒng)(Solar IV系列)，分別測(cè)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(dǎo)體伏安特性曲線特征，沒有明顯的光伏效應(yīng)[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(chǎn)生光伏效應(yīng)必須滿足

3 結(jié) 論

從理論上和實(shí)驗(yàn)上論證用壓電陶瓷測(cè)量光壓的可能性，得到如下結(jié)論：

1)照射光強(qiáng)和壓電片的放電電流成線性關(guān)系，可以通過檢測(cè)放電電流測(cè)量光壓；

2)壓電片測(cè)量光壓沒有頻率限制，藍(lán)光和紅光都能測(cè)量；

3)實(shí)驗(yàn)測(cè)量出標(biāo)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(shù)量級(jí)，和理論值在同一數(shù)量級(jí)，產(chǎn)生誤差的主要原因在于沒有條件精確測(cè)量照在壓電片上的光功率.

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

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

[3] 張福學(xué)，王麗坤. 現(xiàn)代壓電學(xué)(上冊(cè)中冊(cè))[M]. 北京：科學(xué)出版社,2002：26-32.

[4] 呂勝利，呂國(guó)志. 壓電結(jié)構(gòu)的熱效應(yīng)分析[J]. 振動(dòng)與沖擊，1999,18(2)：48-52.

[責(zé)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(xué)物理與能源學(xué)院2013級(jí)本科生.

指導(dǎo)教師：趙改清(1970-)，女，內(nèi)蒙古呼和浩特人，深圳大學(xué)物理與能源學(xué)院副教授，學(xué)士，主要從事大學(xué)物理及實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作.

O431.1

A

1005-4642(2016)11-0020-03