研發報告詳細內容

碳納米管可以像切蛋糕那樣輕鬆測量太赫茲鐳射功率

2011-10-8

NIST的研究人員發現,密集陣列超長碳納米管可吸收幾乎所有長波長光線,有希望成為測量太赫茲(THz)雷射器功率的原型檢測器的塗料。

      太赫茲輻射可以穿透多種材料,如塑膠、服裝、紙張和一些生物組織,使其成為了隱藏武器探測、包裹檢查和皮膚腫瘤成像等應用具有吸引力的候選者。

      然而,到目前為止,還沒有測量太赫茲雷射器絕對輸出功率的標準方法,這是這種類型輻射的來源之一。現在,美國國家標準與技術研究院(NIST)的研究人員發現,幾乎所有密集陣列超長碳納米管都可以吸收長波長光線,從而有望成為測量太赫茲鐳射功率的原型檢測器有前途的塗料。

      

      垂直排列的碳納米管陣列(VANTA)“蛋糕”生長在矽片上,在照片中呈現出紫色。一塊VANTA可以用抹刀從矽上切下來,很容易移動到鐳射功率檢測器的頂部。很暗的碳納米管塗層可吸收太赫茲鐳射光源。(來源:Lehman/NIST)

      這項研究是NIST為美國第一個太赫茲工作範圍雷射器校準參考標準開發專案的一部分,涉及波長從100 μm的遠紅外線至1 mm的微波波段。

      NIST的專案負責人John Lehman表示:“太赫茲鐳射光源一直沒有絕對功率測量可以使用。我們的客戶需要校準。這種塗料看起來對太赫茲鐳射功率檢測器是可行的。”

      該塗料被稱為VANTA(垂直排列的碳納米管陣列),有某種理想特性,它很容易處理。碳納米管從幾十微米到超過一毫米長,因此沒有顯微鏡也可以看到其緻密層。一塊VANTA可以切分開來、抬起和像蛋糕一樣搬運,使之很容易轉移到矽片表面,讓納米管生長到鐳射功率檢測器上。

      最重要的是塗層很暗。NIST的研究小組評估了三個平均長度為40和150 μm,以及1.5 mm 的VANTA樣本,發現納米管越長,反射的光線越少。1.5 mm版本幾乎沒有反射光,只是394 μm波長的1%。這樣,人們有史以來第一次評估了太赫茲波長的VANTA反射,表明幾乎所有抵達的鐳射光線都被吸收了,這將有助於鐳射功率的高精度測量。

      1.5 mm VANTA可比金黑色等塗料吸收更多的光線,但需要更多的工作來計算不確定和確定性因素,如光線角度的影響。該專案擴展了NIST在鐳射功率測量領域的悠久歷史和Lehman在ultradark碳納米管塗料方面的最新進展。

      VANTA也有理想的熱性能。NIST的研究人員發現,該材料吸收和釋放熱量比其他黑色塗料更迅速,這將使得檢測器能及時回應和更快地產生信號。否則,塗層厚度足以吸收長波長的光線,而不會有效地傳輸熱量給檢測器。

      基於開發中的太赫茲激光輻射測量能力,NIST正在開發一個用於常規測量的太赫茲雷射器,以及一個熱電測量鐳射功率的檢測器。

      當熱量施加到兩種不同金屬的結點時,這個簡單的檢測器設計可產生一個電壓。NIST的研究人員使用VANTA塗覆一層原型熱電堆。進一步的研究計畫是設計可能會作為參考標準使用的檢測器。研究人員的目的是在未來將檢測器校準光譜範圍擴大到1 THz至5 THz。

      這項工作的進一步詳細描述見論文“採用碳納米管陣列的輻射測量遠紅外熱檢測器”,J.H. Lehman etal,Applied Optics,可以通過以下連結訪問:http://www.opticsinfobase.org/ao/abstract.cfm?URI=ao-50-21-4099

      


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