TWI506252B - 光強分佈的測量方法 - Google Patents

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光強分佈的測量方法
本發明涉及一種光強分佈的測量方法，尤其涉及一種利用奈米碳管陣列測量光強分佈的方法。
光源所發出的光在哪個方向(角度)上傳播以及強度大小統稱為“光強分佈”。
光強分佈的測量方法基本分為兩種：一種係把感測器放在距樣品一定距離的地方，所述感測器在樣品周圍同心分佈的若干點移動並進行測量，即可測量光強的分佈；另一種係把測量裝置放在距樣品不同的距離處測量光強的分佈，所述測量裝置由一個CCD感測器和一個具有類似魚眼鏡頭的超廣角棱鏡的光學系統組成。
目前，測量光強分佈的感測器主要分為兩大類：光子感測器(製冷型)和熱感測器(非製冷型)。光子傳感器具有靈敏度高、回應速度快的優點，然而，光子感測器需要液氮製冷、成本較高、且可探測的光波波段較窄。熱感測器成本較低、可探測的光波波段較寬、且可在室溫下操作，但係，熱感測器存在靈敏度較低、回應速度較慢的缺點。
有鑒於此，確有必要提供一種光強分佈的測量方法，該方法不僅 簡單易操作，而且具有較高的靈敏度和解析度，且可測量的光波波段較寬。
本發明提供一種光強分佈的測量方法，包括以下步驟：提供一設置於基底上的奈米碳管陣列；將所述奈米碳管陣列的表面修整成一平整表面；用待測光源照射所述奈米碳管陣列的表面，獲得一不同表面態樣的奈米碳管陣列；以及通過所述奈米碳管陣列的不同表面態樣讀出待測光源的強度分佈。
本發明還提供另外一種光強分佈的測量方法，包括以下步驟：提供一設置於基底上的超順排奈米碳管陣列，該超順排奈米碳管陣列具有一平整的表面；用待測光源照射所述超順排奈米碳管陣列的表面，獲得一不同表面態樣的超順排奈米碳管陣列；以及通過所述超順排奈米碳管陣列的不同表面態樣讀出待測光源的強度分佈。
與先前技術相比，本發明利用奈米碳管陣列作為光強分佈的感測元件，由於奈米碳管係一種優異的熱敏性和光敏性材料，且其對光(尤其係紅外光)具有很寬的波長回應範圍和很高的吸收率，故，本發明提供的測量方法具有很高的靈敏度，且可測量的光波波長範圍很廣。其次，由於奈米碳管陣列的導熱性能具有各向異性，即，熱量幾乎只沿著奈米碳管的軸向傳導而不沿徑向傳導，故，利用本發明方法測量光強分佈具有很高的解析度。再次，由於在測量過程中，待測光源對奈米碳管陣列表面態樣的改變係永久性的，故待測光源的光強分佈資訊能被永久地保存起來。
10‧‧‧基底
20‧‧‧奈米碳管陣列
22‧‧‧第一表面
30‧‧‧光源
圖1為本發明第一實施例提供的光強分佈測量方法的工藝流程示意圖。
圖2為本發明第一實施例提供的光強分佈測量方法的流程圖。
圖3為本發明第二實施例提供的光強分佈測量方法的工藝流程示意圖。
圖4為本發明第二實施例提供的光強分佈測量方法的流程圖。
圖5為本發明第二實施例提供的光強分佈測量方法中使用的奈米碳管陣列的掃描電鏡照片，其中插入的掃描電鏡照片為放大的奈米碳管陣列。
圖6為利用本發明第二實施例提供的光強分佈測量方法獲得的一種紅外鐳射的光強分佈圖。
下面將結合圖式及具體實施例對本發明提供的光強分佈測量方法作進一步的詳細說明。
實施例一
請一併參閱圖1及圖2，本發明第一實施例提供一種光強分佈的測量方法，該方法包括以下步驟：S1：提供一奈米碳管陣列20，該奈米碳管陣列20設置於一基底10上，該奈米碳管陣列20具有一第一表面22；S2：將所述奈米碳管陣列20的第一表面22修整成一平整表面；S3：用待測光源30照射經步驟S2處理後的第一表面22，獲得一不 同表面態樣的奈米碳管陣列20；以及S4：通過所述奈米碳管陣列20的不同表面態樣讀出待測光源30的強度分佈。
步驟S1中，所述基底10為一絕緣基底。該基底10的材料可以為矽、二氧化矽、碳化矽、石英或玻璃等。該基底10的厚度和面積均不限，可以根據實際需要進行調整。本實施例中，優選4英寸的矽片作為基底10。
步驟S1中，所述奈米碳管陣列20通過化學氣相沈積法製備獲得。該奈米碳管陣列20的平均高度為100奈米~1000微米。本實施例中，所述奈米碳管陣列20的平均高度優選為400微米~600微米。
該奈米碳管陣列20包括複數個彼此平行且垂直於生長基底排列的奈米碳管。所述奈米碳管具有相對的第一端和第二端，第一端遠離所述生長基底，第二端與所述生長基底接觸。
該奈米碳管陣列20中所有奈米碳管的第一端共同構成了第一表面22。由於該奈米碳管陣列20中的奈米碳管的高度並不完全相等，故，該奈米碳管陣列20的第一表面22並非完全平整。
所述奈米碳管包括單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管及多壁奈米碳管中的一種或幾種。該單壁奈米碳管的直徑為0.5奈米~50奈米，該雙壁奈米碳管的直徑為1.0奈米~50奈米，該多壁奈米碳管的直徑為1.5奈米~50奈米。所述奈米碳管的長度在100奈米~1000微米之間。
通過控制化學氣相沈積法中的生長條件，該奈米碳管陣列20中基本不含有雜質，如無定型碳或殘留的催化劑金屬顆粒等。可以理 解的係，本實施例提供的奈米碳管陣列20不限於上述製備方法。
本實施例中，直接將所述生長基底作為本發明中的基底10，從而省去了所述奈米碳管陣列20轉移的步驟。將所述基底10連同奈米碳管陣列20放在空氣環境中備用。
步驟S2中，所述將所述奈米碳管陣列20的第一表面22修整成一平整表面的過程，可以通過鐳射切割、機械切割或其他切割的方式完成。本實施例中，優選使用鐳射切割方式完成對所述第一表面22的修整。本實施例中，所用鐳射的功率密度大於0.1×104瓦/平方米，鐳射光斑的直徑在1毫米~5毫米範圍內，所述鐳射與奈米碳管陣列20的相對運動速度小於10毫米/秒。
經過上述鐳射切割，所述奈米碳管陣列20的第一表面22為一平整表面，且所述平整表面與所述基底平行。該修整後的奈米碳管陣列20高度在300微米~500微米之間。本實施例中，優選的奈米碳管陣列20的高度為400微米。
可以理解地，在步驟S2中，除了將所述奈米碳管陣列20的第一表面22修整成一平整表面外，還可以通過其他方式來獲得一個平整表面。如：首先，利用一個與所述奈米碳管陣列20結合力更強的第二基底(如矽橡膠基底)黏住該奈米碳管陣列20的第一表面22，並保持該奈米碳管陣列20不發生任何移動；其次，將該奈米碳管陣列20從所述基底10上分離，獲得一個設置於所述第二基底上的奈米碳管陣列20。該奈米碳管陣列20具有一個平整表面(與第一表面22相對的第二表面)，可以用於步驟S3中的測量。
步驟S3中，所述待測光源30可以為紅外光、紫外光、可見光等各 種光源。本實施例中選用紅外光作為待測光源30。
所述待測光源30發出的光束可以任意角度α照射所述奈米碳管陣列20的第一表面22，所述角度α係指所述待測光源30發出的光束與奈米碳管陣列20的第一表面22之間所形成的夾角。優選地，所述角度α在60度至90度之間。本實施例中，所述待測光源30沿著垂直於基底10(即平行於所述奈米碳管軸向)的方向照射所述奈米碳管陣列20的第一表面22。
所述待測光源30照射所述奈米碳管陣列20的第一表面22的時間與所述待測光源30的功率有關。如，當所述待測光源30的功率在1瓦~20瓦之間時，照射時間在3秒~5秒之間；當所述待測光源30的功率在20瓦~50瓦之間時，照射時間在2秒~3秒之間；當所述待測光源30的功率在50瓦~100瓦之間時，照射時間在1秒~2秒之間；當所述待測光源30的功率在100瓦以上時，照射時間在1秒以下。
當有著不同光強分佈的待測光源30照射到平整的第一表面22上時，所述奈米碳管陣列20中被照射的奈米碳管迅速吸收光波中的光子，轉化成熱量，從而使該奈米碳管的溫度升高。照射在奈米碳管上的光越強，則奈米碳管吸收的光子越多，轉化成的熱量越多，使該奈米碳管的溫度升高的越多。由於該奈米碳管陣列20放置於空氣中，故，當該奈米碳管陣列20中的奈米碳管溫度升高到一定程度時，開始與空氣中的氧氣發生反應。由於奈米碳管的第一端直接與所述待測光源30接觸，故，氧化反應最先發生在該奈米碳管的第一端，並逐步往奈米碳管的第二端移動。未被光源照射到或照射光強很弱區域的奈米碳管未發生氧化反應，因而未被燒蝕。照射光強越強的區域，奈米碳管發生的氧化反應越強，被燒 蝕的部分也越多。故，經過所述待測光源30照射後，所述奈米碳管陣列20中的奈米碳管的高度有所變化，且其變化與所述待測光源30的光強分佈有密切聯繫。即，經過照射後的奈米碳管陣列20的第一表面22的態樣反應了所述待測光源30的光強分佈。
步驟S4中，所述通過所述奈米碳管陣列20的不同表面態樣讀出待測光源30的強度分佈的方法包括利用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡等儀器對所述奈米碳管陣列20拍攝形貌照片，再根據形貌照片讀出所述待測光源30的光強分佈。根據形貌照片讀取所述待測光源30的光強分佈時，具體根據所述形貌照片中各處顏色的深淺來判斷光源的強弱。顏色越深，表示該處的光強越強；顏色越淺，表示該處的光強越弱。
實施例二
請一併參閱圖3及圖4，本發明第二實施例提供一種光強分佈的測量方法，該方法包括以下步驟：S1：提供一超順排奈米碳管陣列20，該超順排奈米碳管陣列20設置於一基底10上，該超順排奈米碳管陣列20具有一平整的第一表面22；S2：用待測光源30照射所述超順排奈米碳管陣列20的第一表面22，獲得一不同表面態樣的超順排奈米碳管陣列20；以及S3：通過所述超順排奈米碳管陣列20的不同表面態樣讀出待測光源30的強度分佈。
步驟S1中，該超順排奈米碳管陣列20的製備方法包括以下步驟：(a)提供一平整生長基底，該生長基底可選用P型或N型矽生長 基底，或選用形成有氧化層的矽生長基底，本實施例優選為採用4英寸的矽生長基底；(b)在生長基底表面均勻形成一催化劑層，該催化劑層材料可選用鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)或其任意組合的合金之一；(c)將上述形成有催化劑層的生長基底在700℃~900℃的空氣中退火約30分鐘~90分鐘；(d)將處理過的生長基底置於反應爐中，在保護氣體環境下加熱到500℃~740℃，然後通入碳源氣體反應約5分鐘~30分鐘，生長得到所述超順排奈米碳管陣列20，其平均高度為100微米~1000微米。本實施例中，所述超順排奈米碳管陣列20的平均高度優選為300微米~500微米。
該超順排奈米碳管陣列20為複數個彼此平行且垂直於生長基底生長的奈米碳管形成的純奈米碳管陣列。所述奈米碳管具有相對的第一端和第二端，第一端遠離所述生長基底，第二端與所述生長基底接觸。
該奈米碳管陣列20中所有奈米碳管的第一端共同構成了第一表面22。該超順排奈米碳管陣列20中的奈米碳管的高度幾乎完全相等。即，該超順排奈米碳管陣列20的第一表面22為一平整的表面。
所述奈米碳管包括單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管及多壁奈米碳管中的一種或幾種。該單壁奈米碳管的直徑為0.5奈米~50奈米，該雙壁奈米碳管的直徑為1.0奈米~50奈米，該多壁奈米碳管的直徑為1.5奈米~50奈米。所述奈米碳管的長度在100微米~1000微米之間。
通過上述控制生長條件，該超順排奈米碳管陣列20中基本不含有雜質，如無定型碳或殘留的催化劑金屬顆粒等。本實施例中碳源 氣可選用乙炔等化學性質較活潑的碳氫化合物，保護氣體可選用氮氣、氨氣或惰性氣體。
本實施例中，直接將所述生長基底作為本發明中的基底10，從而省去了所述超順排奈米碳管陣列20轉移的步驟。將所述基底10連同超順排奈米碳管陣列20放在空氣環境中備用。
步驟S2中，所述待測光源30可以為紅外光、紫外光、可見光等各種光源。本實施例中選用紅外光作為待測光源30。
所述待測光源30發出的光束可以任意角度α照射所述超順排奈米碳管陣列20的第一表面22，所述角度α係指所述待測光源30發出的光束與超順排奈米碳管陣列20的第一表面22之間所形成的夾角。優選地，所述角度α在60度至90度之間。本實施例中，所述待測光源30沿著垂直於基底10(即平行於所述奈米碳管軸向)的方向照射所述超順排奈米碳管陣列20的第一表面22。
所述待測光源30照射所述超順排奈米碳管陣列20的第一表面22的時間與所述待測光源30的功率有關。如，當所述待測光源30的功率在1瓦~20瓦之間時，照射時間在3秒~5秒之間；當所述待測光源30的功率在20瓦~50瓦之間時，照射時間在2秒~3秒之間；當所述待測光源30的功率在50瓦~100瓦之間時，照射時間在1秒~2秒之間；當所述待測光源30的功率在100瓦以上時，照射時間在1秒以下。
步驟S3中，所述讀出待測光源30的強度分佈的方法包括利用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡等儀器對所述超順排奈米碳管陣列20拍攝形貌照片，再根據形貌照片讀出所述待測光 源30的光強分佈。根據形貌照片讀取所述待測光源30的光強分佈時，具體根據所述形貌照片中各處顏色的深淺來判斷光源的強弱。顏色越深，表示該處的光強越強；顏色越淺，表示該處的光強越弱。
請一併參閱圖5和圖6，其中，圖5為本發明第二實施例中使用的超順排奈米碳管陣列20的掃描電鏡照片。圖6為利用本發明第二實施例提供的測量方法，最終獲得的一種紅外鐳射(待測光源30)的光強分佈圖。圖6中的複數個同心環形光斑表明待測光源30係一種光強為環形分佈的光源。其中，在環形光斑範圍內，顏色越深的區域，光強越強；顏色越淺的區域，光強越弱。
相較於先前技術，本發明利用奈米碳管陣列作為光強分佈的感測元件，由於奈米碳管係一種優異的熱敏性和光敏性材料，且其對光(尤其係紅外光)具有很寬的波長回應範圍和很高的吸收率，故，本發明提供的測量方法具有很高的靈敏度，且可測量的光波波長範圍很廣。其次，由於奈米碳管陣列的導熱性能具有各向異性，即，熱量幾乎只沿著奈米碳管的軸向傳導而不沿徑向傳導，故，利用本發明方法測量光強分佈具有很高的解析度。再次，由於在測量過程中，待測光源對奈米碳管陣列表面態樣的改變係永久性的，故待測光源的光強分佈資訊能被永久地保存起來。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
10‧‧‧基底
20‧‧‧奈米碳管陣列
22‧‧‧第一表面
30‧‧‧光源

Claims (20)

  1. 一種光強分佈的測量方法，包括以下步驟：提供一設置於基底上的奈米碳管陣列，所述奈米碳管陣列包括複數個垂直於基底排列的奈米碳管；將所述奈米碳管陣列的表面修整成一平整表面；用光源照射所述奈米碳管陣列的表面，獲得一不同表面態樣的奈米碳管陣列；以及通過所述奈米碳管陣列的不同表面態樣讀出光源的強度分佈。
  2. 如請求項1所述的光強分佈的測量方法，其中，所述複數個奈米碳管彼此平行。
  3. 如請求項1所述的光強分佈的測量方法，其中，所述平整表面平行於所述基底。
  4. 如請求項1所述的光強分佈的測量方法，其中，所述將所述奈米碳管陣列的表面修整成一平整表面的過程通過鐳射切割的方式完成。
  5. 如請求項4所述的光強分佈的測量方法，其中，所述鐳射的功率密度大於0.1×104瓦/平方米，鐳射光斑的直徑在1毫米~5毫米範圍內，所述鐳射與奈米碳管陣列的相對運動速度小於10毫米/秒。
  6. 如請求項4所述的光強分佈的測量方法，其中，所述經過修整的奈米碳管陣列的高度在300微米~500微米之間。
  7. 如請求項1所述的光強分佈的測量方法，其中，所述將所述奈米碳管陣列的表面修整成一平整表面的過程通過利用一基板黏住所述奈米碳管陣列的表面並將所述奈米碳管陣列與所述基底分離的方式完成。
  8. 如請求項1所述的光強分佈的測量方法，其中，所述用光源照射所述奈米 碳管陣列的表面時，光束與奈米碳管陣列的表面之間的夾角為60度至90度之間。
  9. 如請求項1所述的光強分佈的測量方法，其中，所述用光源照射所述奈米碳管陣列的表面時，光束與奈米碳管陣列的表面之間的夾角為90度。
  10. 如請求項1所述的光強分佈的測量方法，其中，所述光源照射所述奈米碳管陣列的表面的時間小於等於5秒。
  11. 如請求項1所述的光強分佈的測量方法，其中，所述光源為紅外光。
  12. 如請求項1所述的光強分佈的測量方法，其中，所述測量過程在空氣環境中進行。
  13. 如請求項1所述的光強分佈的測量方法，其中，所述通過所述奈米碳管陣列的不同表面態樣讀出光源的強度分佈，包括利用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡或透射電子顯微鏡對所述奈米碳管陣列拍攝形貌照片，再根據該形貌照片讀出所述光源的光強分佈。
  14. 一種光強分佈的測量方法，包括以下步驟：提供一設置於基底上的奈米碳管陣列，該奈米碳管陣列為一超順排奈米碳管陣列，所述奈米碳管陣列包括複數個垂直於基底排列的奈米碳管；用光源照射所述超順排奈米碳管陣列的表面，獲得一不同表面態樣的超順排奈米碳管陣列；以及通過所述超順排奈米碳管陣列的不同表面態樣讀出光源的強度分佈。
  15. 如請求項14所述的光強分佈的測量方法，其中，所述超順排奈米碳管陣列的表面為一平行於所述基底的平整表面。
  16. 如請求項14所述的光強分佈的測量方法，其中，所述超順排奈米碳管陣列的製備方法包括以下步驟：提供一平整生長基底；在該生長基底表面均勻形成一催化劑層； 將上述形成有催化劑層的生長基底在700℃~900℃的空氣中退火30分鐘~90分鐘；以及將處理過的生長基底置於反應爐中，在保護氣體環境下加熱到500℃~740℃，然後通入碳源氣體反應5分鐘~30分鐘，生長得到所述超順排奈米碳管陣列。
  17. 如請求項14所述的光強分佈的測量方法，其中，所述超順排奈米碳管陣列的高度在300微米~500微米之間。
  18. 如請求項14所述的光強分佈的測量方法，其中，所述用光源照射所述超順排奈米碳管陣列的表面時，光束與超順排奈米碳管陣列的表面之間的夾角為90度。
  19. 如請求項14所述的光強分佈的測量方法，其中，所述光源照射所述超順排奈米碳管陣列的表面的時間小於等於5秒。
  20. 如請求項14所述的光強分佈的測量方法，其中，所述通過所述超順排奈米碳管陣列的不同表面態樣讀出光源的強度分佈，包括利用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡或透射電子顯微鏡對所述超順排奈米碳管陣列拍攝形貌照片，再根據該形貌照片讀出所述光源的光強分佈。
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