应用压电陶瓷测量光压

龙 腾，赵改清，杜炳清，李旭文，唐夏冰

(深圳大学 物理与能源学院,广东 深圳 518020)



应用压电陶瓷测量光压

龙 腾，赵改清，杜炳清，李旭文，唐夏冰

(深圳大学 物理与能源学院,广东 深圳 518020)

利用压电陶瓷测量了非真空环境下激光和LED的光压，并设计实验排除了热效应以及光伏效应. 实验结果表明：照射光强和压电片的放电电流成线性关系，可以通过检测放电电流测量光压，并且对光频率没有限制. 实验测得标称值为0.2 W的激光和1 W的LED的光压分别在10-10N和10-9N数量级.

光压；压电陶瓷；放电电流

选题源于“广东省第16届大学生物理实验设计大赛”题目2：光压的测量. 题目基本要求：设计、制作能够演示光压现象的实验装置，测定光压的大小，并讨论光压与相关物理量的关系. 光压是光的粒子性的表现，测量非常困难，而且光和热往往是伴随的，例如最早的“光压风车”后来被证明是热辐射效应，光压测量通常需要高真空的环境和高灵敏度的仪器. 本文采用压电陶瓷测量光压，在非真空环境下对不同频率的光压进行了测量和对比.

1 理 论

把光束看成由光子组成的粒子流，每个粒子撞击在压电陶瓷上都会发生动量改变，那么相应的压电陶瓷就会受到粒子流的冲力而极化出电荷，极化电荷的多少和压电陶瓷所受压力有关，通过检测电荷数可以确定光的压力. 下面从理论角度分析可行性.

光子的动量由德布罗意关系给出：

(1)

设光子与物质的作用时间是Δτ,压电陶瓷片的压电系数为D33. 如果1个光子被反射时可激发的电荷为

(2)

如果1个光子被吸收可激发的电荷为

(3)

如果光束的功率为P,那么单位时间撞击在压电陶瓷上的光子数N为

(4)

陶瓷的反射率为R，单位时间内压电陶瓷积累的电量为

(5)

其中，R=0.3,D33=5.8×10-10C·N-1,Δτ=10-9s，P=0.2 W，代入(5)式计算得每秒释放的电荷数为

在现代技术中0.5 nC·s-1的电荷量是完全可检测到的，由此可见，用压电陶瓷来检测光压是可能实现的[1].

2 实 验

2.1 测量激光的光压

用波长为532 nm，功率为0.2 W，光斑半径1 mm的绿色激光照射压电陶瓷，用电荷传感器测量压电陶瓷的放电过程. 得到放电曲线如图1所示，图中曲线的斜率代表放电电流. 由图1可看出，在刚开始光照时放电速度基本为0.3 nC·s-1，这和理论分析中得到的0.5 nC·s-1在同一数量级.

图1 压电片电荷随时间变化的曲线

在光子与物质作用的时间内，积累的电量为

Q′=3×10-19C,

对应的光压力为

理论值为

理论值偏大，考虑原因为激光笔是电池供电，实际照在压电片上的功率比标称值0.2 W要小，而由于条件所限，没能测量到实际照在压电片上的光功率[2].

2.2 放出电荷和光强变化的线性度

用1 W的LED照射压电陶瓷，通过控制LED的工作电流I控制不同的发光强度，测量不同强度的光照射下压电片的放电电流I0，实验数据见表1，得到放电曲线如图2 所示.

由图2可见：

1) 光强和放电电流是线性关系，说明可以通过检测放电电流测量光压；

表1 LED的光压实验数据

图2 工作电流和放电电流的关系

2) 相同的工作电流下，蓝光照射时放电电流较红光大，这是因为相同的电流下，蓝光的功率比红光大.

2.3 热效应的排除

考虑到力是瞬时的，而热现象有惯性，如果让光强明暗交替变化，那么加载在压电片上的力也交替变化，如果光强变化的频率足够快，热效应将无法跟随光强变化的频率快速变化. 基于此，采用大功率LED光照射压电陶瓷，用不同频率的方波激励LDE，用计算机实测压电陶瓷两端的电压变化，如图3所示.

(a)f=2 000 Hz

(b)f=5 000 Hz图3 压电片对光强变化频率的响应

由图3可以看出，光强明暗变化的频率在5 kHz以上时，压电片的电压跟随光强的明暗做同样的周期变化，这充分说明:电荷的产生绝对不是热效应所致，因为热效应有惯性，而力是瞬时的，符合实验现象.

2.4 排除光伏效应

使用测量太阳能电池伏安特性的测试系统(Solar IV系列)，分别测试在无模拟太阳光照射和有模拟太阳光照射下压电陶瓷器件的伏安特性曲线，如图4所示.

图4 压电陶瓷器件的伏安特性曲线

从图4中可以看到：有无模拟太阳光照射，压电陶瓷器件的伏安特性曲线几乎重合，而且压电陶瓷器件的伏安特性曲线都显示出典型的半导体伏安特性曲线特征，没有明显的光伏效应[3].

从理论上分析，压电陶瓷的材料为锆钛酸铅，其禁带宽度为3.5 eV,要产生光伏效应必须满足

3 结 论

从理论上和实验上论证用压电陶瓷测量光压的可能性，得到如下结论：

1)照射光强和压电片的放电电流成线性关系，可以通过检测放电电流测量光压；

2)压电片测量光压没有频率限制，蓝光和红光都能测量；

3)实验测量出标称值为0.2W的激光和1W的LED的光压分别在10-10N和10-9N的数量级，和理论值在同一数量级，产生误差的主要原因在于没有条件精确测量照在压电片上的光功率.

[1] 杨晓鸾.PZT/Ag2O-NPs/PZT复合薄膜的光电特性[D]． 苏州：苏州大学，2012．

[2] 李成仁，崔金松，吕翎. 光压的演示[J]． 物理实验，1997,17(1):25．

[3] 张福学，王丽坤. 现代压电学(上册中册)[M]. 北京：科学出版社,2002：26-32.

[4] 吕胜利，吕国志. 压电结构的热效应分析[J]. 振动与冲击，1999,18(2)：48-52.

[责任编辑：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

龙 腾(1995-)，男，广东深圳人，深圳大学物理与能源学院2013级本科生.

指导教师：赵改清(1970-)，女，内蒙古呼和浩特人，深圳大学物理与能源学院副教授，学士，主要从事大学物理及实验教学工作.

O431.1

A

1005-4642(2016)11-0020-03