實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：干涉法測(cè)算的壓電系數(shù)基本原理

研究方向：光的干涉原理現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各種領(lǐng)域中，特別是在光譜學(xué)、精密計(jì)量及探測(cè)中。當(dāng)振動(dòng)方向相同的兩列波（或者多列波）在空間中某一位置相遇時(shí)，相遇位置內(nèi)各點(diǎn)的振幅等于各列波在該點(diǎn)振幅疊加（對(duì)于標(biāo)量波，相遇位置波的波函數(shù)等于所有波的波函數(shù)的標(biāo)量和；對(duì)于矢量波，相遇位置波的波函數(shù)等于所有波的波函數(shù)的矢量和）。其中某些位置的振幅始終增強(qiáng)，另一些位置的振幅始終消弱，最終形成穩(wěn)定的光強(qiáng)強(qiáng)弱分布。

測(cè)試設(shè)備：高壓放大器、信號(hào)發(fā)生器、示波器、鎖相放大器、He-Ne激光器、光電探測(cè)器等。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

圖1：干涉法測(cè)量晶體壓電系數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置

干涉法測(cè)量晶體壓電系數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，主要由邁克爾遜千涉儀，信號(hào)發(fā)生器，高壓放大器，鎖相放大器，光電轉(zhuǎn)換元件以及示波器組成。

干涉法測(cè)量主要利用邁克爾遜干涉對(duì)相位的敏感性。干涉儀結(jié)構(gòu)中的兩片全反鏡分別與參考晶體和待測(cè)晶體膠合在一起，由信號(hào)源所發(fā)出的同相位的兩束正弦波經(jīng)過(guò)高壓放大器放大后分別加在參考晶體和待測(cè)晶體上。光的干涉信號(hào)通過(guò)硅探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)鎖相放大器放大。信號(hào)源輸出與正弦信號(hào)頻率相同的方波信號(hào)作為鎖相放大器的參考信號(hào)。鎖相放大器只針對(duì)與參考信號(hào)同頻率的信號(hào)進(jìn)行放大，一定程度上避免了干擾信號(hào)對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

干涉法測(cè)試材料壓電系數(shù)是根據(jù)光電轉(zhuǎn)換元件所反映出的光強(qiáng)變化來(lái)觀察兩束光的相對(duì)相位變化。在沒(méi)有外加電場(chǎng)的條件下，兩束光存在穩(wěn)定的干涉，將此時(shí)的干涉光強(qiáng)定位初始值I0。在參考晶體和待測(cè)晶體在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生形變后的光強(qiáng)為I＇。而晶體逆壓電效應(yīng)引起的形變量一般在10nm以?xún)?nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于激光波長(zhǎng)。若當(dāng)I0＝I＇時(shí)，不存在兩塊晶體形變量差值為波長(zhǎng)整數(shù)倍的情況，可以認(rèn)為參考晶體與待測(cè)晶體的凈形變量形同。利用光強(qiáng)前后的變化情況，可以得到兩束光相對(duì)相位情況，當(dāng)干涉光強(qiáng)I＇與初始狀態(tài)I0相同時(shí)，則可以根據(jù)公式1計(jì)算出待測(cè)樣品的壓電系數(shù)。

公式1：

其中，s代表待測(cè)晶體樣品，r代表參考晶體。Ls和Lr分別代表待測(cè)晶體和參考晶體待測(cè)量的形變方向上的長(zhǎng)度。Ts和Tr分別代表與電場(chǎng)矢量方向平行的待測(cè)晶體和參考晶體的晶體厚度。Vs和Vr分別代表待測(cè)晶體和參考晶體的上表面和下表面之間的電勢(shì)差。ds是要測(cè)量的壓電系數(shù)，dr是己知的參考晶體的壓電系數(shù)

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審核編輯 黃宇