CN103487139B - 光强分布的测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种光强分布的测量方法，包括以下步骤：提供一设置于基底一表面的碳纳米管阵列，并将该设置于基底的碳纳米管阵列放置于一惰性环境或真空环境中，所述碳纳米管阵列具有一远离基底的第一表面；用一待测光源照射所述碳纳米管阵列的第一表面，使该碳纳米管阵列辐射出可见光；提供一反射镜，使该碳纳米管阵列所辐射的可见光经该反射镜反射；以及利用一成像元件对反射镜所反射的可见光成像，并读出待测光源的光强分布。

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***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、分辨率低的缺点。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种光强分布的测量方法，该测量方法具有较高的灵敏度和分辨率，且可测量的光波波段较宽。
一种光强分布的测量方法，包括以下步骤：提供一设置于基底一表面的碳纳米管阵列，并将该设置于基底的碳纳米管阵列放置于一惰性环境或真空环境中，所述碳纳米管阵列具有一远离基底的第一表面；用一待测光源照射所述碳纳米管阵列的第一表面，使该碳纳米管阵列辐射出可见光；提供一反射镜，使该碳纳米管阵列所辐射的可见光经该反射镜反射；以及利用一成像元件对反射镜所反射的可见光成像，并读出待测光源的光强分布。
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，不沿径向传导，因此，利用本发明提供的方法测量光强分布具有很高的分辨率，至少能够分辨10微米的细节。
附图说明
图1为本发明实施例提供的光强分布的测量方法的流程图。
图2为本发明实施例提供的光强分布的测量方法的光路***示意图。
图3为本发明实施例提供的光强分布的测量方法中所采用的碳纳米管阵列的扫描电镜照片。
主要元件符号说明
碳纳米管阵列 10
第一表面 102
第二表面 104
碳纳米管 12，12A，12B
第一端 122
第二端 124
生长基底 14
光束 16
成像元件 18
腔室 20
反射镜 22
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的测量方法作进一步的详细说明。
请一并参见图1和图2，本发明实施例提供一种光强分布的测量方法，包括以下步骤：
步骤一、提供一设置于生长基底14的碳纳米管阵列10，该设置于生长基底14的碳纳米管阵列10放置于一惰性环境或真空环境中。
所述碳纳米管阵列10优选为超顺排碳纳米管阵列10，该碳纳米管阵列10的制备方法，包括以下步骤：（a）提供一平整生长基底14，该生长基底14可选用P型或N型硅生长基底14，或选用形成有氧化层的硅生长基底14，本实施例优选为采用4英寸的硅生长基底14；（b）在生长基底14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14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14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5~30分钟，生长得到碳纳米管阵列10。
所述碳纳米管阵列10包括多个彼此平行的碳纳米管12，该碳纳米管12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12的长度大于等于100纳米，优选为100纳米~10毫米，例如100微米、500微米、1000微米、5毫米。本实施例中，生长基底14为一圆形，所生长的圆形碳纳米管阵列10的半径为3毫米。
所述碳纳米管阵列10中，碳纳米管12与生长基底14的表面之间所形成的角度大于等于10度且小于等于90度，优选地，碳纳米管12与生长基底14的表面之间所形成的角度大于等于60度且小于等于90度。本实施例中，所述碳纳米管阵列10为多个彼此平行且垂直于生长基底14生长的碳纳米管12形成的纯碳纳米管阵列10，请参见图3。所述碳纳米管阵列10中，相邻碳纳米管12之间具有间隙，该间隙为0.1纳米~0.5纳米。所述碳纳米管12具有相对的第一端122和第二端124，第一端122远离所述生长基底14，第二端124与所述生长基底14接触。通过上述控制生长条件，该超顺排碳纳米管阵列10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。可以理解的是，本实施例提供的碳纳米管阵列10不限于上述制备方法。
可以理解，通过挤压等方式可以使该碳纳米管阵列10中的碳纳米管12倾斜，从而使碳纳米管12与生长基底14形成小于90度的夹角。进一步，还可以采用刀片、胶带或其它工具将碳纳米管阵列10从生长基底14整体剥离并设置于其它基底上。所述碳纳米管阵列10中的碳纳米管12仍然彼此平行且与该基底表面所形成的角度大于等于10度且小于90度。所述其它基底优选不透光的材料，例如金属、陶瓷、或树脂等。
本实施例中，将所述生长于生长基底14的碳纳米管阵列10设置于一腔室20内，该腔室20内为惰性环境或真空环境。所述惰性环境是指腔室20内填充氮气、氨气等或惰性气体。所述真空环境是指将所述腔室20抽真空，使腔室20内为真空状态。制作所述腔室20的材料为透光材料，例如硒化锌（ZnSe）、玻璃，树脂等。
步骤二、用待测光源照射所述碳纳米管阵列10的第一表面102，使该碳纳米管阵列10辐射出可见光。
所述碳纳米管阵列10中碳纳米管12的第一端122靠近待测光源，第二端124远离待测光源，且第二端124与所述生长基底14接触。所述碳纳米管阵列10具有一远离生长基底14的第一表面102以及一与该第一表面102相对设置且与所述生长基底14接触的第二表面104。所述多个碳纳米管12的第一端122组成碳纳米管阵列10的第一表面102，多个碳纳米管12的第二端124组成碳纳米管阵列10的第二表面104。所述碳纳米管12从碳纳米管阵列10的第一表面102向第二表面104延伸。
待测光源所发出的光可以为红外光等各种光。本实施例选用二氧化碳激光器发射的激光。
待测光源发出的光束16可以任意角度照射碳纳米管阵列10的第一表面102，所述角度是指待测光源发出的光束16与碳纳米管阵列10的第一表面102之间所形成的夹角。优选地，待测光源沿着平行于碳纳米管12轴向的方向照射所述碳纳米管阵列10的第一表面102。
碳纳米管阵列10可近似为黑体，具有黑体的吸收和辐射特性。当待测光源所发出的光束16照射到碳纳米管阵列10的第一表面102时，光能转换为热能并被碳纳米管阵列10的第一表面102吸收，在碳纳米管阵列10的第一表面102形成与待测光源光强成正比的温度场分布。由于碳纳米管12的轴向导热性好，横向导热性差，导热的各向异性非常显著，热量在碳纳米管12与碳纳米管12之间横向扩散极少，该热量可以沿着碳纳米管12轴向从每一碳纳米管12的第一端122向第二端124传递，直至每一个碳纳米管12本身具有相等、均一的热量。可以理解，该热量由碳纳米管阵列10的第一表面102经过碳纳米管12的轴向导热而向碳纳米管阵列10的第二表面104传递。如此，碳纳米管阵列10中每一个碳纳米管12本身具有相等、均一的热量，在整个碳纳米管阵列10中形成与待测光源光强成正比的温度场分布，同时按黑体辐射的特性向外辐射可见光。
具体地，当待测光源所发出的光束16照射到碳纳米管阵列10的第一表面102时，光束16会分布在该第一表面102，光能转换为热能并被碳纳米管阵列10的第一表面102吸收。例如，光束16分布中光的强度大的地方对应碳纳米管12A，该碳纳米管12A的第一端122所吸收的热量大，通过碳纳米管12A轴向导热，该碳纳米管12A本身具有相等、均一的热量，且该热量大。光束16分布中光的强度小的地方对应碳纳米管12B，该碳纳米管12B的第一端122所吸收的热量小，通过碳纳米管12B轴向导热，该碳纳米管12B本身具有相等、均一的热量，且该热量小。如此，在整个碳纳米管阵列10中形成与待测光源光强成正比的温度场分布。同时，碳纳米管阵列10按黑体辐射的特性向外辐射可见光。那么，碳纳米管12A辐射的可见光的强度大，碳纳米管12B辐射的可见光的强度小，即碳纳米管阵列10中每一碳纳米管12所辐射的可见光的强度不相等。
因此，碳纳米管阵列10中每一碳纳米管12所辐射的可见光的强度的大小与待测光源所发出的光束16的光强分布有关，碳纳米管12所辐射的可见光的强度大，则待测光源照射该碳纳米管12的第一端122处的光强大；碳纳米管12所辐射的可见光的强度小，则待测光源照射该碳纳米管12的第一端122处的光强小。
由于所述生长基底14为硅，其对可见光不透明，而碳纳米管阵列10的第二表面104与生长基底14相接触，所以碳纳米管阵列10的第二表面104向外辐射的可见光被生长基底14挡住。
步骤三、提供一反射镜22，该反射镜22靠近所述碳纳米管阵列10的第一表面102，且与所述碳纳米管阵列10间隔设置，碳纳米管阵列10所辐射的可见光经该反射镜22反射。
由于碳纳米管12的轴向导热性好，横向导热性差，所以碳纳米管阵列10按照黑体辐射的特性向外辐射可见光时，碳纳米管阵列10的第一表面102和第二表面104具有较多的辐射，而碳纳米管阵列10的侧面具有极少的辐射。所述侧面指碳纳米管阵列10平行于碳纳米管12轴向的一面，即碳纳米管阵列10中垂直于第一表面102和第二表面104的一面。由于所述生长基底14为硅，其对可见光不透明，而碳纳米管阵列10的第二表面104与生长基底14相接触，所以碳纳米管阵列10的第二表面104向外辐射的可见光被生长基底14挡住。因此，在所述碳纳米管阵列10的第一表面102处间隔设置一反射镜22。所述反射镜22与碳纳米管阵列10之间的距离不限，可以理解，碳纳米管阵列10优选地设置于所述反射镜22的焦点处，即，使反射镜22的焦点落在所述碳纳米管阵列10的第一表面102的中心位置。
为了获取更多的光能，保证测量的灵敏度，所述反射镜22的曲率半径不能很大，反射镜22的曲率半径为10毫米至100毫米，同时碳纳米管阵列10尽量靠近反射镜22，以获得较大的物方孔径角。本实施例中，所述反射镜22的曲率半径优选为88毫米，物方孔径角大于等于22.5度，数值孔径大于0.38。为了使待测光源所发出的光束16更容易照射到碳纳米管阵列10的第一表面102，碳纳米管阵列10到反射镜22之间的距离在不影响整个***像差的前提下应小于80毫米。
步骤四、利用成像元件18对反射镜22所反射的可见光成像，读出待测光源的光强分布。
所述成像元件18的种类不限，只要可以对碳纳米管阵列10辐射出的可将光成像即可，例如CCD（电荷耦合元件）、CMOS（互补型金属氧化物）等。本实施例中，成像元件18为CCD。
所述成像元件18与反射镜22分别间隔设置于腔室20的两侧，且所述碳纳米管阵列10设置于生长基底14与反射镜22之间，生长基底14设置于碳纳米管阵列10与成像元件18之间。所述成像元件18的大小与反射镜22的曲率半径等有关。本实施例中，成像元件18到碳纳米管阵列10的距离优选为小于80毫米，成像元件的大小为1/3英寸，所以像高为3.8毫米。本实施例测量光强分布的方法至少能够分辨10微米的细节，场区小于0.01毫米，像面弥散斑直径小于0.01毫米，0.7视场畸变小于等于1%，对每毫米50线对的光学传递函数大于0.8。
成像元件18对碳纳米管阵列10所辐射的可见光成像，直接读出碳纳米管阵列10所发出的光束16的光强分布，或利用计算机等工具读出碳纳米管阵列10所发出的光束16的光强分布。本实施例中，所述CCD的像元不限，优选地，CCD的像元达到10微米以下。
相较于现有技术，本发明提供的光强分布的测量方法具有以下优点：（1）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；（2）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，不沿径向传导，因此，利用本发明提供的方法测量光强分布具有很高的分辨率和准确度，至少能够分辨10微米的细节；（3）该光强分布的测量方法简单易行，成本较低。
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 (15)

1.一种光强分布的测量方法，包括以下步骤：
提供一设置于基底一表面的碳纳米管阵列，并将该设置于基底的碳纳米管阵列放置于一惰性环境或真空环境中，所述碳纳米管阵列具有一远离基底的第一表面；
用一待测光源照射所述碳纳米管阵列的第一表面，使该碳纳米管阵列辐射出可见光；
提供一反射镜，该反射镜靠近所述碳纳米管阵列的第一表面，使该碳纳米管阵列所辐射的可见光经该反射镜反射；以及
利用一成像元件对反射镜所反射的可见光成像，并读出待测光源的光强分布。
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碳纳米管，该多个碳纳米管相互平行。
3.如权利要求2所述的光强分布的测量方法，其特征在于，所述碳纳米管阵列中碳纳米管与基底的表面之间的角度为大于等于10度且小于等于90度。
4.如权利要求3所述的光强分布的测量方法，其特征在于，所述碳纳米管阵列中碳纳米管与基底的表面之间的角度大于等于60度且小于等于90度。
5.如权利要求1所述的光强分布的测量方法，其特征在于，将所述碳纳米管阵列设置于一腔室内，制作该腔室的材料为透光材料。
6.如权利要求5所述的光强分布的测量方法，其特征在于，所述腔室内通入氮气、氨气或惰性气体，或所述腔室内为真空状态。
7.如权利要求1所述的光强分布的测量方法，其特征在于，所述待测光源为二氧化碳激光器。
8.如权利要求1所述的光强分布的测量方法，其特征在于，所述待测光源沿着平行于碳纳米管轴向的方向照射所述碳纳米管阵列的第一表面。
9.如权利要求1所述的光强分布的测量方法，其特征在于，所述反射镜的焦点落在碳纳米管阵列的第一表面的中心位置。
10.如权利要求1所述的光强分布的测量方法，其特征在于，所述反射镜的曲率半径为10毫米至100毫米。
11.如权利要求1所述的光强分布的测量方法，其特征在于，碳纳米管阵列到反射镜之间的距离小于80毫米。
12.如权利要求1所述的光强分布的测量方法，其特征在于，将所述碳纳米管阵列设置于一腔室内，所述成像元件与反射镜分别间隔设置于该腔室的两侧。
13.如权利要求1所述的光强分布的测量方法，其特征在于，所述成像元件到碳纳米管阵列的距离小于80毫米。
14.如权利要求1所述的光强分布的测量方法，其特征在于，所述反射镜与所述碳纳米管阵列间隔设置。
15.如权利要求1所述的光强分布的测量方法，其特征在于，所述成像元件为CCD或CMOS。
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