CN103487140A - 光强分布的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光强分布的测量方法，包括以下步骤：提供一设置于基底上的碳纳米管阵列；将所述碳纳米管阵列的表面修整成一平整表面；用待测光源照射所述碳纳米管阵列的表面，获得一不同表面形态的碳纳米管阵列；以及通过所述碳纳米管阵列的不同表面形态读出待测光源的强度分布。

Description

光强分布的测量方法

技术领域

本发明涉及一种光强分布的测量方法，尤其涉及一种利用碳纳米管阵列测量光强分布的方法。

背景技术

光源所发出的光在哪个方向（角度）上传播以及强度大小统称为“光强分布”。

光强分布的测量方法基本分为两种：一种是把传感器放在距样品一定距离的地方，所述传感器在样品周围同心分布的若干点移动并进行测量，即可测量光强的分布；另一种是把测量装置放在距样品不同的距离处测量光强的分布，所述测量装置由一个CCD传感器和一个具有类似鱼眼镜头的超广角棱镜的光学系统组成。

目前，测量光强分布的传感器主要分为两大类：光子传感器（制冷型）和热传感器（非制冷型）。光子传感器具有灵敏度高、响应速度快的优点，然而，光子传感器需要液氮制冷、成本较高、且可探测的光波波段较窄。热传感器成本较低、可探测的光波波段较宽、且可在室温下操作，但是，热传感器存在灵敏度较低、响应速度较慢的缺点。

有鉴于此，确有必要提供一种光强分布的测量方法，该方法不仅简单易操作，而且具有较高的灵敏度和分辨率，且可测量的光波波段较宽。

发明内容

本发明提供一种光强分布的测量方法，包括以下步骤：提供一设置于基底上的碳纳米管阵列；将所述碳纳米管阵列的表面修整成一平整表面；用待测光源照射所述碳纳米管阵列的表面，获得一不同表面形态的碳纳米管阵列；以及通过所述碳纳米管阵列的不同表面形态读出待测光源的强度分布。

本发明还提供另外一种光强分布的测量方法，包括以下步骤：提供一设置于基底上的超顺排碳纳米管阵列，该超顺排碳纳米管阵列具有一平整的表面；用待测光源照射所述超顺排碳纳米管阵列的表面，获得一不同表面形态的超顺排碳纳米管阵列；以及通过所述超顺排碳纳米管阵列的不同表面形态读出待测光源的强度分布。

与现有技术相比，本发明利用碳纳米管阵列作为光强分布的感测元件，由于碳纳米管是一种优异的热敏性和光敏性材料，且其对光（尤其是红外光）具有很宽的波长响应范围和很高的吸收率，因此，本发明提供的测量方法具有很高的灵敏度，且可测量的光波波长范围很广。其次，由于碳纳米管阵列的导热性能具有各向异性，即，热量几乎只沿着碳纳米管的轴向传导而不沿径向传导，因此，利用本发明方法测量光强分布具有很高的分辨率。再次，由于在测量过程中，待测光源对碳纳米管阵列表面形态的改变是永久性的，所以待测光源的光强分布信息能被永久地保存起来。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的光强分布测量方法的工艺流程示意图。

图2为本发明第一实施例提供的光强分布测量方法的流程图。

图3为本发明第二实施例提供的光强分布测量方法的工艺流程示意图。

图4为本发明第二实施例提供的光强分布测量方法的流程图。

图5为本发明第二实施例提供的光强分布测量方法中使用的碳纳米管阵列的扫描电镜照片，其中插入的扫描电镜照片为放大的碳纳米管阵列。

图6为利用本发明第二实施例提供的光强分布测量方法获得的一种红外激光的光强分布图。

主要元件符号说明

基底	10
		碳纳米管阵列	20
第一表面	22
		光源	30

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本发明提供的光强分布测量方法作进一步的详细说明。

实施例一

请一并参阅图1及图2，本发明第一实施例提供一种光强分布的测量方法，该方法包括以下步骤：

S1：提供一碳纳米管阵列20，该碳纳米管阵列20设置于一基底10上，该碳纳米管阵列20具有一第一表面22；

S2：将所述碳纳米管阵列20的第一表面22修整成一平整表面；

S3：用待测光源30照射经步骤S2处理后的第一表面22，获得一不同表面形态的碳纳米管阵列20；以及

S4：通过所述碳纳米管阵列20的不同表面形态读出待测光源30的强度分布。

步骤S1中，所述基底10为一绝缘基底。该基底10的材料可以为硅、二氧化硅、碳化硅、石英或玻璃等。该基底10的厚度和面积均不限，可以根据实际需要进行调整。本实施例中，优选4英寸的硅片作为基底10。

步骤S1中，所述碳纳米管阵列20通过化学气相沉积法制备获得。该碳纳米管阵列20的平均高度为100纳米~1000微米。本实施例中，所述碳纳米管阵列20的平均高度优选为400微米~600微米。

该碳纳米管阵列20包括多个彼此平行且垂直于生长基底排列的碳纳米管。所述碳纳米管具有相对的第一端和第二端，第一端远离所述生长基底，第二端与所述生长基底接触。

该碳纳米管阵列20中所有碳纳米管的第一端共同构成了第一表面22。由于该碳纳米管阵列20中的碳纳米管的高度并不完全相等，因此，该碳纳米管阵列20的第一表面22并非完全平整。

所述碳纳米管包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的一种或几种。该单壁碳纳米管的直径为0.5纳米~50纳米，该双壁碳纳米管的直径为1.0纳米~50纳米，该多壁碳纳米管的直径为1.5纳米~50纳米。所述碳纳米管的长度在100纳米~1000微米之间。

通过控制化学气相沉积法中的生长条件，该碳纳米管阵列20中基本不含有杂质，如无定型碳或残留的催化剂金属颗粒等。可以理解的是，本实施例提供的碳纳米管阵列20不限于上述制备方法。

本实施例中，直接将所述生长基底作为本发明中的基底10，从而省去了所述碳纳米管阵列20转移的步骤。将所述基底10连同碳纳米管阵列20放在空气环境中备用。

步骤S2中，所述将所述碳纳米管阵列20的第一表面22修整成一平整表面的过程，可以通过激光切割、机械切割或其它切割的方式完成。本实施例中，优选使用激光切割方式完成对所述第一表面22的修整。本实施例中，所用激光的功率密度大于0.1×10⁴瓦/平方米，激光光斑的直径在1毫米~5毫米范围内，所述激光与碳纳米管阵列20的相对运动速度小于10毫米/秒。

经过上述激光切割，所述碳纳米管阵列20的第一表面22为一平整表面，且所述平整表面与所述基底平行。该修整后的碳纳米管阵列20高度在300微米~500微米之间。本实施例中，优选的碳纳米管阵列20的高度为400微米。

可以理解地，在步骤S2中，除了将所述碳纳米管阵列20的第一表面22修整成一平整表面外，还可以通过其他方式来获得一个平整表面。如：首先，利用一个与所述碳纳米管阵列20结合力更强的第二基底（如硅橡胶基底）粘住该碳纳米管阵列20的第一表面22，并保持该碳纳米管阵列20不发生任何移动；其次，将该碳纳米管阵列20从所述基底10上分离，获得一个设置于所述第二基底上的碳纳米管阵列20。该碳纳米管阵列20具有一个平整表面（与第一表面22相对的第二表面），可以用于步骤S3中的测量。

步骤S3中，所述待测光源30可以为红外光、紫外光、可见光等各种光源。本实施例中选用红外光作为待测光源30。

所述待测光源30发出的光束可以任意角度α照射所述碳纳米管阵列20的第一表面22，所述角度α是指所述待测光源30发出的光束与碳纳米管阵列20的第一表面22之间所形成的夹角。优选地，所述角度α在60度至90度之间。本实施例中，所述待测光源30沿着垂直于基底10（即平行于所述碳纳米管轴向）的方向照射所述碳纳米管阵列20的第一表面22。

所述待测光源30照射所述碳纳米管阵列20的第一表面22的时间与所述待测光源30的功率有关。如，当所述待测光源30的功率在1瓦~20瓦之间时，照射时间在3秒~5秒之间；当所述待测光源30的功率在20瓦~50瓦之间时，照射时间在2秒~3秒之间；当所述待测光源30的功率在50瓦~100瓦之间时，照射时间在1秒~2秒之间；当所述待测光源30的功率在100瓦以上时，照射时间在1秒以下。

当有着不同光强分布的待测光源30照射到平整的第一表面22上时，所述碳纳米管阵列20中被照射的碳纳米管迅速吸收光波中的光子，转化成热量，从而使该碳纳米管的温度升高。照射在碳纳米管上的光越强，则碳纳米管吸收的光子越多，转化成的热量越多，使该碳纳米管的温度升高的越多。由于该碳纳米管阵列20放置于空气中，所以，当该碳纳米管阵列20中的碳纳米管温度升高到一定程度时，开始与空气中的氧气发生反应。由于碳纳米管的第一端直接与所述待测光源30接触，所以，氧化反应最先发生在该碳纳米管的第一端，并逐步往碳纳米管的第二端移动。未被光源照射到或照射光强很弱区域的碳纳米管未发生氧化反应，因而未被烧蚀。照射光强越强的区域，碳纳米管发生的氧化反应越强，被烧蚀的部分也越多。因此，经过所述待测光源30照射后，所述碳纳米管阵列20中的碳纳米管的高度有所变化，且其变化与所述待测光源30的光强分布有密切联系。即，经过照射后的碳纳米管阵列20的第一表面22的形态反应了所述待测光源30的光强分布。

步骤S4中，所述通过所述碳纳米管阵列20的不同表面形态读出待测光源30的强度分布的方法包括利用光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等仪器对所述碳纳米管阵列20拍摄形貌照片，再根据形貌照片读出所述待测光源30的光强分布。根据形貌照片读取所述待测光源30的光强分布时，具体根据所述形貌照片中各处颜色的深浅来判断光源的强弱。颜色越深，表示该处的光强越强；颜色越浅，表示该处的光强越弱。

实施例二

请一并参阅图3及图4，本发明第二实施例提供一种光强分布的测量方法，该方法包括以下步骤：

S1：提供一超顺排碳纳米管阵列20，该超顺排碳纳米管阵列20设置于一基底10上，该超顺排碳纳米管阵列20具有一平整的第一表面22；

S2：用待测光源30照射所述超顺排碳纳米管阵列20的第一表面22，获得一不同表面形态的超顺排碳纳米管阵列20；以及

S3：通过所述超顺排碳纳米管阵列20的不同表面形态读出待测光源30的强度分布。

步骤S1中，该超顺排碳纳米管阵列20的制备方法包括以下步骤：（a）提供一平整生长基底，该生长基底可选用P型或N型硅生长基底，或选用形成有氧化层的硅生长基底，本实施例优选为采用4英寸的硅生长基底；（b）在生长基底表面均匀形成一催化剂层，该催化剂层材料可选用铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）或其任意组合的合金之一；（c）将上述形成有催化剂层的生长基底在700℃~900℃的空气中退火约30分钟~90分钟；（d）将处理过的生长基底置于反应炉中，在保护气体环境下加热到500℃~740℃，然后通入碳源气体反应约5分钟~30分钟，生长得到所述超顺排碳纳米管阵列20，其平均高度为100微米~1000微米。本实施例中，所述超顺排碳纳米管阵列20的平均高度优选为300微米~500微米。

该超顺排碳纳米管阵列20为多个彼此平行且垂直于生长基底生长的碳纳米管形成的纯碳纳米管阵列。所述碳纳米管具有相对的第一端和第二端，第一端远离所述生长基底，第二端与所述生长基底接触。

该碳纳米管阵列20中所有碳纳米管的第一端共同构成了第一表面22。该超顺排碳纳米管阵列20中的碳纳米管的高度几乎完全相等。即，该超顺排碳纳米管阵列20的第一表面22为一平整的表面。

所述碳纳米管包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的一种或几种。该单壁碳纳米管的直径为0.5纳米~50纳米，该双壁碳纳米管的直径为1.0纳米~50纳米，该多壁碳纳米管的直径为1.5纳米~50纳米。所述碳纳米管的长度在100微米~1000微米之间。

通过上述控制生长条件，该超顺排碳纳米管阵列20中基本不含有杂质，如无定型碳或残留的催化剂金属颗粒等。本实施例中碳源气可选用乙炔等化学性质较活泼的碳氢化合物，保护气体可选用氮气、氨气或惰性气体。

本实施例中，直接将所述生长基底作为本发明中的基底10，从而省去了所述超顺排碳纳米管阵列20转移的步骤。将所述基底10连同超顺排碳纳米管阵列20放在空气环境中备用。

步骤S2中，所述待测光源30可以为红外光、紫外光、可见光等各种光源。本实施例中选用红外光作为待测光源30。

所述待测光源30发出的光束可以任意角度α照射所述超顺排碳纳米管阵列20的第一表面22，所述角度α是指所述待测光源30发出的光束与超顺排碳纳米管阵列20的第一表面22之间所形成的夹角。优选地，所述角度α在60度至90度之间。本实施例中，所述待测光源30沿着垂直于基底10（即平行于所述碳纳米管轴向）的方向照射所述超顺排碳纳米管阵列20的第一表面22。

所述待测光源30照射所述超顺排碳纳米管阵列20的第一表面22的时间与所述待测光源30的功率有关。如，当所述待测光源30的功率在1瓦~20瓦之间时，照射时间在3秒~5秒之间；当所述待测光源30的功率在20瓦~50瓦之间时，照射时间在2秒~3秒之间；当所述待测光源30的功率在50瓦~100瓦之间时，照射时间在1秒~2秒之间；当所述待测光源30的功率在100瓦以上时，照射时间在1秒以下。

步骤S3中，所述读出待测光源30的强度分布的方法包括利用光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等仪器对所述超顺排碳纳米管阵列20拍摄形貌照片，再根据形貌照片读出所述待测光源30的光强分布。根据形貌照片读取所述待测光源30的光强分布时，具体根据所述形貌照片中各处颜色的深浅来判断光源的强弱。颜色越深，表示该处的光强越强；颜色越浅，表示该处的光强越弱。

请一并参阅图5和图6，其中，图5为本发明第二实施例中使用的超顺排碳纳米管阵列20的扫描电镜照片。图6为利用本发明第二实施例提供的测量方法，最终获得的一种红外激光（待测光源30）的光强分布图。图6中的多个同心环形光斑表明待测光源30是一种光强为环形分布的光源。其中，在环形光斑范围内，颜色越深的区域，光强越强；颜色越浅的区域，光强越弱。

相较于现有技术，本发明利用碳纳米管阵列作为光强分布的感测元件，由于碳纳米管是一种优异的热敏性和光敏性材料，且其对光（尤其是红外光）具有很宽的波长响应范围和很高的吸收率，因此，本发明提供的测量方法具有很高的灵敏度，且可测量的光波波长范围很广。其次，由于碳纳米管阵列的导热性能具有各向异性，即，热量几乎只沿着碳纳米管的轴向传导而不沿径向传导，因此，利用本发明方法测量光强分布具有很高的分辨率。再次，由于在测量过程中，待测光源对碳纳米管阵列表面形态的改变是永久性的，所以待测光源的光强分布信息能被永久地保存起来。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (20)

1.一种光强分布的测量方法，包括以下步骤：

提供一设置于基底上的碳纳米管阵列；

将所述碳纳米管阵列的表面修整成一平整表面；

用光源照射所述碳纳米管阵列的表面，获得一不同表面形态的碳纳米管阵列；以及

通过所述碳纳米管阵列的不同表面形态读出光源的强度分布。

2.如权利要求1所述的光强分布的测量方法，其特征在于，所述碳纳米管阵列包括多个彼此平行且垂直于基底排列的碳纳米管。

3.如权利要求1所述的光强分布的测量方法，其特征在于，所述平整表面平行于所述基底。

4.如权利要求1所述的光强分布的测量方法，其特征在于，所述将所述碳纳米管阵列的表面修整成一平整表面的过程通过激光切割的方式完成。

5.如权利要求4所述的光强分布的测量方法，其特征在于，所述激光的功率密度大于0.1×10⁴瓦/平方米，激光光斑的直径在1毫米~5毫米范围内，所述激光与碳纳米管阵列的相对运动速度小于10毫米/秒。

6.如权利要求4所述的光强分布的测量方法，其特征在于，所述经过修整的碳纳米管阵列的高度在300微米~500微米之间。

7.如权利要求1所述的光强分布的测量方法，其特征在于，所述将所述碳纳米管阵列的表面修整成一平整表面的过程通过利用一基板粘住所述碳纳米管阵列的表面并将所述碳纳米管阵列与所述基底分离的方式完成。

8.如权利要求1所述的光强分布的测量方法，其特征在于，所述用光源照射所述碳纳米管阵列的表面时，光束与碳纳米管阵列的表面之间的夹角为60度至90度之间。

9.如权利要求1所述的光强分布的测量方法，其特征在于，所述用光源照射所述碳纳米管阵列的表面时，光束与碳纳米管阵列的表面之间的夹角为90度。

10.如权利要求1所述的光强分布的测量方法，其特征在于，所述光源照射所述碳纳米管阵列的表面的时间小于等于5秒。

11.如权利要求1所述的光强分布的测量方法，其特征在于，所述光源为红外光。

12.如权利要求1所述的光强分布的测量方法，其特征在于，所述测量过程在空气环境中进行。

13.如权利要求1所述的光强分布的测量方法，其特征在于，所述通过所述碳纳米管阵列的不同表面形态读出光源的强度分布，包括利用光学显微镜、扫描电子显微镜或透射电子显微镜对所述碳纳米管阵列拍摄形貌照片，再根据该形貌照片读出所述光源的光强分布。

14.一种光强分布的测量方法，包括以下步骤：

提供一设置于基底上的碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列为一超顺排碳纳米管阵列；

用光源照射所述超顺排碳纳米管阵列的表面，获得一不同表面形态的超顺排碳纳米管阵列；以及

通过所述超顺排碳纳米管阵列的不同表面形态读出光源的强度分布。

15.如权利要求14所述的光强分布的测量方法，其特征在于，所述超顺排碳纳米管阵列的表面为一平行于所述基底的平整表面。

16.如权利要求14所述的光强分布的测量方法，其特征在于，所述超顺排碳纳米管阵列的制备方法包括以下步骤：

提供一平整生长基底；

在该生长基底表面均匀形成一催化剂层；

将上述形成有催化剂层的生长基底在700℃~900℃的空气中退火30分钟~90分钟；以及

将处理过的生长基底置于反应炉中，在保护气体环境下加热到500℃~740℃，然后通入碳源气体反应5分钟~30分钟，生长得到所述超顺排碳纳米管阵列。

17.如权利要求14所述的光强分布的测量方法，其特征在于，所述超顺排碳纳米管阵列的高度在300微米~500微米之间。

18.如权利要求14所述的光强分布的测量方法，其特征在于，所述用光源照射所述超顺排碳纳米管阵列的表面时，光束与超顺排碳纳米管阵列的表面之间的夹角为90度。

19.如权利要求14所述的光强分布的测量方法，其特征在于，所述光源照射所述超顺排碳纳米管阵列的表面的时间小于等于5秒。

20.如权利要求14所述的光强分布的测量方法，其特征在于，所述通过所述超顺排碳纳米管阵列的不同表面形态读出光源的强度分布，包括利用光学显微镜、扫描电子显微镜或透射电子显微镜对所述超顺排碳纳米管阵列拍摄形貌照片，再根据该形貌照片读出所述光源的光强分布。

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