电磁波偏振方向检测方法及检测装置

摘要

本发明提供一种电磁波偏振方向的检测方法，包括以下步骤：将一碳纳米管结构置于一真空环境中，该碳纳米管结构包括多个沿同一方向排列的碳纳米管；提供一电磁波发射源，发射一偏振的电磁波，并使其基本垂直地入射至所述碳纳米管结构表面，该碳纳米管结构吸收该电磁波并发光；在基本垂直于电磁波入射方向的平面内旋转所述碳纳米管结构，根据所述碳纳米管结构发出可见光的变化判断所述电磁波的偏振方向。该方法简单直观。本发明也提供一种电磁波偏振方向的检测装置。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电磁波偏振方向检测方法及检测装置，尤其涉及一种基于碳纳米管的电磁波偏振方向检测方法及检测装置。

背景技术

偏振方向是电磁波具有的重要性质。传统检测可见光偏振方向的方法一般为在一束光的传播路径上放置一偏振片，旋转该偏振片并观察通过该偏振片的光信号的投影亮度变化。当亮度最大时，光信号的偏振方向与偏振片的偏振化方向平行，当亮度最小时，光信号的偏振方向与偏振片的偏振化方向垂直。而传统检测可见光强度一般通过直接观察该可见光信号的亮度判断。然而，对于人眼无法感知的红外光、紫外光或其他波长的电磁波信号的偏振方向，则无法直接通过观察光信号投影的亮度变化对其进行检测。一般的，当被检测的光信号为红外光、紫外光或其他波长的电磁波时，须经过在偏振片偏振后的光路上设置一光电传感器，从而将光信号转变为电信号，通过检测在旋转偏振片的过程中所述电信号的强度变化，进而得到光的强度变化。然而这种方法需要涉及大量光学及电子器件，较为复杂。另外，现有的偏振片一般只对某一波段的电磁波(如微波、红外光、可见光、紫外光等)具有良好的偏振性能，无法对各种波长的电磁波具有均一的偏振吸收特性。因此，当待测电磁波信号的波长变化时，需要使用不同的偏振片对其进行检测。

自九十年代初以来，以碳纳米管为代表的纳米材料以其独特的结构和性质引起了人们极大的关注。近几年来，随着碳纳米管及纳米材料研究的不断深入，其广阔的应用前景不断显现出来。例如，碳纳米管对各个波长的电磁波都具有均一的吸收特性，且当不同波长的电磁波照射一碳纳米管结构时，该碳纳米管结构的电阻相应发生变化，利用该变化规律可检测电磁波的强度，请参见“Bolometric infrared photoresponse of suspended single-walled carbon nanotube films”，Science，Mikhail E.Itkis et al，vol312，P412(2006)。该论文揭示一种无序碳纳米管膜的电磁波检测装置，其结构包括一无序碳纳米管膜传感器及与该无序碳纳米管膜传感器电连接的两个电极。当不同强度的电磁波照射该无序碳纳米管膜传感器时，该无序碳纳米管膜的电阻不同，因此，通过测量该无序碳纳米管膜传感器的电阻便可测出电磁波的强度。然而，该电磁波检测装置无法检测电磁波的偏振方向。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种电磁波偏振方向的检测方法及检测装置。该电磁波偏振方向的检测方法简单，无需借助复杂的光学及电子器件即可检测电磁波的偏振方向。

一种电磁波偏振方向的检测方法，包括以下步骤：将一碳纳米管结构置于一真空环境中，该碳纳米管结构包括多个沿同一方向排列的碳纳米管；提供一电磁波发射源，发射一偏振的电磁波，并使其基本垂直地入射至所述碳纳米管结构表面，该碳纳米管结构吸收该电磁波并发光；在基本垂直于电磁波入射方向的平面内旋转所述碳纳米管结构，根据所述碳纳米管结构发出可见光的变化判断所述电磁波的偏振方向。

一种电磁波偏振方向检测装置，其包括：一真空腔，该真空腔具有一入射窗及一观察窗；其中，所述电磁波偏振方向检测装置进一步包括一碳纳米管结构，该碳纳米管结构包括多个沿同一方向排列的碳纳米管，该碳纳米管结构设置于该真空腔内，所述入射窗与该碳纳米管结构相对且间隔设置，待测电磁波通过该入射窗入射至该碳纳米管结构表面。

所述电磁波偏振方向检测方法仅通过旋转碳纳米管结构，使该碳纳米管结构中碳纳米管的长度延伸方向与电磁波偏振方向的夹角发生变化，并在该变化过程中，通过检测碳纳米管结构发出可见光的变化便可判断入射电磁波的偏振方向，方法简单；所述电磁波偏振方向检测装置中，由于所述碳纳米管结构仅由多个碳纳米管组成，结构简单，有利于降低电磁波偏振方向检测装置制造成本，以及应用该装置进行检测的成本。

附图说明

图1是本发明实施例电磁波偏振方向检测系统的结构示意图。

图2是本发明实施例电磁波偏振方向检测方法的流程图。

图3是本发明实施例提供的电磁波偏振方向检测装置中用于检测电磁波偏振方向的碳纳米管拉膜局部放大结构示意图。

图4是本发明实施例提供的电磁波偏振方向检测装置中用于检测电磁波偏振方向的碳纳米管拉膜扫描电镜照片。

图5是本发明实施例提供的电磁波偏振方向检测装置中用于检测电磁波偏振方向的一个碳纳米管线状结构在一个平面内有序弯折的示意图。

图6是本发明实施例提供的电磁波偏振方向检测装置中用于检测电磁波偏振方向的多个碳纳米管线状结构在一个平面内相互平行排列的示意图。

图7是本发明实施例提供的碳纳米管结构发出可见光的光谱辐射密度与入射电磁波功率之间的关系。

图8是本发明实施例提供的碳纳米管结构发出可见光的光谱辐射密度与电磁波偏振方向和碳纳米管长度延伸方向之间夹角的关系。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本发明实施例的电磁波偏振方向检测方法。

请一并参阅图1及图2，本发明实施例提供一种电磁波偏振方向的检测方法，主要包括以下几个步骤：

步骤一：提供一电磁波偏振方向检测装置10，该电磁波偏振方向检测装置10包括一真空腔12及设置于该真空腔12内的一碳纳米管结构14。

所述碳纳米管结构14包括多个沿同一方向排列的碳纳米管，所谓沿同一方向排列是指至少多数碳纳米管的排列方向一致且具有一定规律，如基本沿一个固定方向择优取向排列。所述碳纳米管包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管中的一种或者多种。所述单壁碳纳米管的直径为0.5纳米～50纳米。所述双壁碳纳米管的直径为1.0纳米～50纳米。所述多壁碳纳米管的直径为1.5纳米～50纳米。

所述碳纳米管结构14为一自支撑结构。所谓自支撑结构是指该碳纳米管结构无需通过一支撑体支撑，也能保持自身特定的形状。该自支撑结构包括多个碳纳米管，该多个碳纳米管通过范德华力相互吸引，从而使碳纳米管结构具有特定的形状。具体地，所述碳纳米管结构包括至少一碳纳米管膜、至少一碳纳米管线状结构或其组合。

所述碳纳米管膜包括碳纳米管拉膜、带状碳纳米管膜或长碳纳米管膜。

所述碳纳米管拉膜通过拉取一碳纳米管阵列直接获得，优选为通过拉取一超顺排碳纳米管阵列直接获得。该碳纳米管拉膜中的碳纳米管首尾相连地沿同一个方向择优取向排列，请参阅图3及图4，具体地，每一碳纳米管拉膜包括多个连续且定向排列的碳纳米管片段143，该多个碳纳米管片段143通过范德华力首尾相连，每一碳纳米管片段143包括多个大致相互平行的碳纳米管145，该多个相互平行的碳纳米管145通过范德华力紧密结合。该碳纳米管片段143具有任意的宽度、厚度、均匀性及形状。所述碳纳米管拉膜的厚度为0.5纳米～100微米。所述碳纳米管拉膜及其制备方法请参见范守善等人于2007年2月9日申请的，于2008年8月13公开的第CN101239712A号中国大陆公开专利申请。

所述带状碳纳米管膜为通过将一狭长的碳纳米管阵列沿垂直于碳纳米管阵列长度方向倾倒在一基底表面而获得。该带状碳纳米管膜包括多个择优取向排列的碳纳米管。所述多个碳纳米管之间基本互相平行并排排列，且通过范德华力紧密结合，该多个碳纳米管具有大致相等的长度，且其长度可达到毫米量级。所述带状碳纳米管膜的宽度与碳纳米管的长度相等，故该带状碳纳米管阵列中至少有一个碳纳米管从带状碳纳米管膜的一端延伸至另一端，从而跨越整个带状碳纳米管膜。带状碳纳米管膜的宽度受碳纳米管的长度限制，优选地，该碳纳米管的长度为1毫米～10毫米。该所述带状碳纳米管膜的结构及其制备方法请参见范守善等人于2008年5月28日申请的第200810067529.X号中国大陆专利申请。

所述长碳纳米管膜为通过放风筝法获得，该长碳纳米管膜包括多个平行于碳纳米管膜表面的超长碳纳米管，且该多个碳纳米管彼此基本平行排列。所述多个碳纳米管的长度可大于10厘米。所述碳纳米管膜中相邻两个超长碳纳米管之间的距离小于5微米，相邻两个超长碳纳米管之间通过范德华力紧密连接。所述长碳纳米管膜的结构及其制备方法请参见范守善等人于2008年2月1日申请的第200810066048.7号中国大陆专利申请。

可以理解，上述碳纳米管拉膜、带状碳纳米管膜或长碳纳米管膜均为一自支撑结构，可无需基底支撑，自支撑存在。且该碳纳米管拉膜、带状碳纳米管膜或长碳纳米管膜为多个时，可共面且无间隙铺设或/和层叠铺设，从而制备不同面积与厚度的碳纳米管结构。在由多个相互层叠的碳纳米管膜组成的碳纳米管结构中，相邻两个碳纳米管膜中的碳纳米管的排列方向相同。

所述碳纳米管线状结构包括至少一碳纳米管线。当该碳纳米管线状结构包括多个碳纳米管线时，该多个碳纳米管线可相互平行组成束状结构或相互扭转组成绞线结构。该碳纳米管线可以为非扭转的碳纳米管线或扭转的碳纳米管线。所述碳纳米管线状结构可为单根或多根。请参阅图5，当为单根时，该单根碳纳米管线状结构可在一平面内有序弯折成一膜状结构，且除弯折部分之外，该碳纳米管线状结构其它部分可看作并排且相互平行排列；请参阅图6，当为多根时，该多根碳纳米管线状结构可共面且沿一个方向平行排列或堆叠且沿一个方向平行排列设置。

所述非扭转的碳纳米管线包括多个沿该非扭转的碳纳米管线长度方向排列的碳纳米管。具体地，该非扭转的碳纳米管线包括多个碳纳米管片段，该多个碳纳米管片段通过范德华力首尾相连，每一碳纳米管片段包括多个相互平行并通过范德华力紧密结合的碳纳米管。该碳纳米管片段具有任意的长度、厚度、均匀性及形状。该非扭转的碳纳米管线长度不限，直径为0.5纳米～100微米。该非扭转的碳纳米管线为将碳纳米管拉膜通过有机溶剂处理得到。具体地，将有机溶剂浸润所述碳纳米管拉膜的整个表面，在挥发性有机溶剂挥发时产生的表面张力的作用下，碳纳米管拉膜中的相互平行的多个碳纳米管通过范德华力紧密结合，从而使碳纳米管拉膜收缩为一非扭转的碳纳米管线。该有机溶剂为挥发性有机溶剂，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本实施例中采用乙醇。通过有机溶剂处理的非扭转碳纳米管线与未经有机溶剂处理的碳纳米管膜相比，比表面积减小，粘性降低。

所述扭转的碳纳米管线包括多个绕该扭转的碳纳米管线轴向螺旋排列并沿线的一端向另一端延伸的碳纳米管。具体地，该扭转的碳纳米管线包括多个碳纳米管片段，该多个碳纳米管片段通过范德华力首尾相连，每一碳纳米管片段包括多个相互平行并通过范德华力紧密结合的碳纳米管。该碳纳米管片段具有任意的长度、厚度、均匀性及形状。该扭转的碳纳米管线长度不限，直径为0.5纳米～100微米。所述扭转的碳纳米管线为采用一机械力将所述碳纳米管拉膜两端沿相反方向扭转获得。进一步地，可采用一挥发性有机溶剂处理该扭转的碳纳米管线。在挥发性有机溶剂挥发时产生的表面张力的作用下，处理后的扭转的碳纳米管线中相邻的碳纳米管通过范德华力紧密结合，使扭转的碳纳米管线的比表面积减小，密度及强度增大。

所述碳纳米管线状结构及其制备方法请参见范守善等人于2002年9月16日申请的，于2008年8月20日公告的第CN100411979C号中国大陆公告专利，以及范守善等人于2005年12月16日申请的，于2007年6月20日公开的第CN1982209A号中国大陆公开专利申请。

该碳纳米管线状结构具有较大的强度，从而提高了该电磁波偏振方向检测装置10的使用寿命和稳定性。

若所述碳纳米管结构为碳纳米管膜或碳纳米管线状结构的组合时，所述碳纳米管膜中碳纳米管与碳纳米管线状结构沿相同方向排列。

可以理解，上述碳纳米管结构均包括多个基本沿相同方向平行排列的碳纳米管、碳纳米管线状结构或其组合。

由于碳纳米管对电磁波的吸收接近绝对黑体，从而使碳纳米管对于各种波长的电磁波具有均一的吸收特性，即该碳纳米管结构14可吸收红外线、可见光、紫外线等不同波长范围的电磁波。进一步地，碳纳米管在吸收了电磁波的能量后温度上升。利用黑体辐射的理论，当该电磁波的能量较高，如以激光的形式照射到碳纳米管时，碳纳米管的温度可上升到较高温度并辐射出可以被人眼观察到的可见光。本实施例中，该碳纳米管结构14的温度范围为800K～2400K之间时可发出可见光。且由于温度的不同，碳纳米管结构14发出可见光的波长也不同，从而呈现出的颜色也相应发生了变化。根据色温效应，当碳纳米管结构14的温度从800K升到2400K左右时，其发出可见光的颜色依次由暗红色转变为红色，由红色变为橙黄色，由橙黄色转为黄色，再由黄色变为白色。可见，随着碳纳米管结构14温度的升高，其发出可见光的颜色逐渐由暖色转变为冷色，即光谱辐射强度逐渐增强。因此通过观察碳纳米管结构14发出可见光的颜色，便可以推出碳纳米管结构14此时的温度范围。请参阅图7，该图为电磁波的入射功率同碳纳米管结构14所辐射出可见光的辐射密度之间的关系，图中纵坐标为碳纳米管结构14所辐射出可见光的光辐射密度，横坐标为电磁波的入射功率，可见两者之间的关系呈线性关系，其中所述光辐射密度可用σT⁴表示，其中σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，T为碳纳米管结构14的温度。根据所述线性关系便可以推出碳纳米管结构14对入射电磁波的吸收越强烈，其温度越高，辐射出的可见光越强。另外，本实施例中，由于碳纳米管具有较小的热容和较大的散热面积，因此，其对光的响应速度也较快，其响应速度为5ms～200ms之间。

另外，所述碳纳米管结构14的厚度不限，当其厚度较薄时，其吸收入射电磁波之后便迅速升温发光，响应速度较快，当所述碳纳米管结构14的厚度较厚时，其强度较高，但相较于厚度较薄的碳纳米管结构，其与周围气体介质热交换速度较慢，从而影响该碳纳米管结构14的响应速度。优选地，所述碳纳米管结构14的厚度约为0.5纳米～1毫米。本实施例中，该碳纳米管结构14为单层碳纳米管拉膜。

所述真空腔12的形状不限，其具有一入射窗122及一观察窗124。所述入射窗122与所述碳纳米管结构14相对且间隔设置，从而确保所述电磁波可全部通过该入射窗122并入射至碳纳米管结构14的表面，所述观察窗124可使人眼观察到与入射窗122相对的碳纳米管结构14表面。

所述入射窗122的材料选自可透射电磁波的材料，该材料的选用还依据入射电磁波的波长，若所述电磁波为可见光或紫外线等，该材料可选用石英，若所述电磁波为红外线，该材料可选用砷化镓。

所述观察窗124的材料为可透射可见光的材料，如石英。

此外，所述电磁波偏振方向检测装置10可进一步包括一承载装置16，该承载装置16置于该真空腔12内，用于承载所述碳纳米管结构14，同时，该承载装置16也可在一个平面内旋转，从而使所述碳纳米管结构14相应发生旋转。该承载装置16的形状不限，具体地，该承载装置16可以为一平面或曲面结构，并具有一表面。此时，该碳纳米管结构14直接设置并贴合于该承载装置16的表面上。由于该碳纳米管结构14整体通过承载装置16支撑，因此该碳纳米管结构14可以承受强度较高的电磁波输入。另外，该承载装置16也可以为一框架结构、杆状结构或不规则形状结构。此时，由于该碳纳米管结构14为自支撑结构，该碳纳米管结构14部分与该承载装置16相接触，其余部分悬空设置。此种设置方式可以使该碳纳米管结构14不受承载装置14的影响更好地吸收热量，温度变化更快，因此其发光时，随自身温度的不同，其所发出可见光的颜色或者强度变化的速度也变快。

该承载装置16的材料不限，可以为一硬性材料，如金刚石、玻璃或石英。另外，所述承载装置16还可为一柔性材料，如塑料或树脂。优选地，该承载装置16的材料应具有较好的绝热性能，从而防止该碳纳米管结构14产生的热量过度被该承载装置16吸收，从而影响所述碳纳米管结构14的温度变化。

步骤二：提供一电磁波发射源20，发射一偏振的电磁波22并使其入射至所述碳纳米管结构14的表面，该碳纳米管结构14通过吸收该电磁波22而发光。

该电磁波发射源20与所述电磁波偏振方向检测装置10共同构成一电磁波偏振方向检测系统30，该电磁波发射源20与电磁波偏振方向检测装置10相对且间隔设置，从而使从该电磁波发射源20产生的电磁波22可通过电磁波偏振方向检测装置10的入射窗122传递至碳纳米管结构14的表面。优选地，该电磁波22应正对电磁波偏振方向检测装置10内部的碳纳米管结构14基本垂直入射。当该电磁波发射源20与该电磁波偏振方向检测装置10间隔较远距离时，该电磁波发射源20发出的电磁波22可进一步通过一光纤传递至电磁波偏振方向检测装置10的碳纳米管结构14表面。

该电磁波发射源20发出的电磁波22的频率范围包括无线电波、红外线、可见光、紫外线、微波、X射线及γ射线等。优选地，该电磁波发射源20为一光信号源，所发出的电磁波22可以为一光信号，该光信号的波长包括从紫外至远红外波长的各种光波。该电磁波的强度范围为50mw/mm²～5000mw/mm²。可以理解，该电磁波22的强度不能太弱，当其强度小于50mw/mm²时便无法使碳纳米管结构14加热至发光，因此为使碳纳米管结构14达到发光的温度，上述电磁波偏振方向检测装置10可进一步包括一聚焦装置18，该聚焦装置18与电磁波偏振方向检测装置10的入射窗122相对设置，可使所述电磁波22经聚焦后再照射至所述碳纳米管结构14的表面。

另外，碳纳米管结构14吸收电磁波22越多，其温度越高，其发出可见光的颜色也会相应越冷，反之，通过碳纳米管结构14发出可见光的颜色可判断此时碳纳米管结构14的温度，从而可进一步推出此时该碳纳米管结构14对电磁波22的吸收强弱。

进一步地，为了定量测定碳纳米管结构14发出可见光的强度，该电磁波偏振方向检测装置10可进一步包括一分光光度计19，该分光光度计19设置于该观察窗124的附近，通过该分光光度计19可定量测出碳纳米管结构14所发出可见光的强度，根据所测该碳纳米管结构14发出可见光的强度可以判断出其吸收电磁波22的强弱。

步骤三：旋转所述碳纳米管结构14，使该碳纳米管结构14中的碳纳米管长度延伸方向与电磁波22偏振方向的夹角发生变化，根据该夹角变化过程中，所述碳纳米管结构14发出可见光的变化判断所述电磁波22的偏振方向。

该步骤具体为，使碳纳米管结构14在基本垂直于电磁波入射方向的平面内转动，即转动的轴线基本垂直于碳纳米管结构14的表面，为实现碳纳米管结构14的旋转，可通过旋转所述承载装置16，进而使设置于该承载装置16的所述碳纳米管结构14发生相应转动。当碳纳米管结构14转动至碳纳米管长度延伸方向与电磁波22偏振方向平行的位置时，该碳纳米管结构14对该电磁波22的吸收最强烈，碳纳米管结构14的温度最高，碳纳米管结构14所发出可见光的光辐射强度最高，相应地该可见光的颜色最冷；当碳纳米管结构14转动至碳纳米管长度延伸方向与偏振方向垂直时，该碳纳米管结构14对该电磁波22的吸收最微弱，碳纳米管结构14的温度最低，其发出可见光的光辐射强度最低，且相应地该可见光的颜色为最暖色，由于此时该碳纳米管结构14的温度与上述其在碳纳米管长度延伸方向与电磁波22偏振方向平行的位置被照射时的温度不同，因此其颜色也与上述其在碳纳米管长度延伸方向与电磁波22偏振方向平行的位置被照射时的颜色不同。因此，通过旋转碳纳米管结构14，即可通过其发出可见光的颜色变化判断电磁波22的偏振方向。具体地，在碳纳米管结构14中的碳纳米管长度延伸方向与电磁波22偏振方向的夹角从0℃变到90℃的过程中，碳纳米管结构的温度从高变低，其发出可见光的强度从高变低，颜色逐渐从冷色变为暖色。即当碳纳米管结构14发出可见光的光辐射强度最强时，颜色为最冷色时，该碳纳米管结构14中碳纳米管的排列方向即为电磁波22的偏振方向。

请一并参阅图8，本实施例用一分光光度计19定量测量了在碳纳米管结构14中碳纳米管的排列方向与电磁波22偏振方向之间的夹角发生改变时，碳纳米管结构14发出可见光的光谱辐射密度与碳纳米管的排列方向和电磁波22偏振方向之间夹角的关系，其中，所述光辐射密度可用σT⁴表示，其中σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，T为碳纳米管结构14的温度。此时所述电磁波偏振方向检测装置10中，碳纳米管结构14为一单层碳纳米管膜，所述电磁波22为一经过聚焦的红外线，该碳纳米管膜吸收所述经过聚焦的红外线发光。从图8中可以看到，当碳纳米管的排列方向与电磁波的偏振方向平行时，碳纳米管膜所发出可见光的光谱辐射密度最大，即该可见光的强度最高，当碳纳米管的排列方向与电磁波的偏振方向垂直时，碳纳米管膜所发出可见光的光谱辐射密度最小，即该可见光的强度最弱。可见，当碳纳米管的排列方向与电磁波的偏振方向平行时，碳纳米管结构14对电磁波的吸收最强烈，温度最高。

本实施例提供的电磁波检测方法具有以下优点：所述电磁波偏振方向的检测方法只需使碳纳米管结构中碳纳米管的长度延伸方向与电磁波的偏振方向之间的夹角发生变化，并在该变化过程中，通过直接观察碳纳米管结构发出可见光的颜色变化，或者通过一测量装置测出该可见光的强度变化便可判断入射电磁波的偏振方向，方法简单直观；由于所述碳纳米管结构仅由多个碳纳米管组成，结构简单，有利于降低电磁波偏振方向检测装置制造成本，以及应用该装置进行检测的成本；由于所述碳纳米管结构为一自支撑结构，其强度较高，使用寿命较长；由于所述电磁波偏振方向检测装置中的碳纳米管结构对于各个波长的电磁波有均一的吸收特性，因此该电磁波偏振方向检测装置可以用于检测各种波长的电磁波的偏振方向。

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。