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CN118981121A - 电调制光源 - Google Patents

电调制光源 Download PDF

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CN118981121A
CN118981121A CN202310519664.8A CN202310519664A CN118981121A CN 118981121 A CN118981121 A CN 118981121A CN 202310519664 A CN202310519664 A CN 202310519664A CN 118981121 A CN118981121 A CN 118981121A
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China
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carbon nanotube
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composite film
film structure
graphene composite
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CN202310519664.8A
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赖丽文
柳鹏
周段亮
李群庆
范守善
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Tsinghua University
Foxconn Technology Group Co Ltd
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Tsinghua University
Foxconn Technology Group Co Ltd
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Abstract

本发明提供一种电调制光源，该电调制光源包括一碳纳米管‑石墨烯复合膜结构、一第一电极及一第二电极，所述第一电极和第二电极分别与碳纳米管‑石墨烯复合膜结构电连接，所述第一电极和第二电极用于向所述碳纳米管‑石墨烯复合膜结构加载电压，所述该电调制光源在加载电压后在小于10毫秒的时间内升温至最高温度并发出白炽光，在去除电压后在小于10毫秒的时间内降温至其初始温度，所述电调制光源的调制频率大于等于150kHz。

Description

电调制光源
技术领域
本发明涉及一种电调制光源。
背景技术
随着全球工业化进程逐渐发展成熟，工业生产给环境中排放出大量的温室气体甚至污染气体，这些气体不仅造成地表温度升高，还对人体健康构成威胁，因此，检测这些气体在环境中的含量，并采取改善措施，是环保的一项主要的工作。一般气体系统尤其是大气环境，需要实时定量检测，同时要求检测系统性能稳定，可快速反应并测试出微小的含量。非色散红外(Non-Dispersive Infrared,NDIR)光谱检测仪正好符合这个特点，其结构简单，元件可灵活替换，成本低，且气体特异性高，只要测出了气体的吸收谱，从当中尖锐狭窄的特征吸收峰就可以直接辨别气体种类，因此无气体交叉响应，且可以在不干扰气体样品的情况下进行实时和现场甚至远程测量。另外，NDIR光谱检测仪可以确定入射光的强度，因此测量是自我参考的，从而决定了测试系统高度的可靠性和可重复性。
调制光源在NDIR光谱检测仪中广泛应用，采用调制光源的NDIR光谱检测仪因具有体积小、稳定性高、且测试精度高等特点而广受欢迎与应用。采用调制光源的NDIR光谱检测方法与非光学检测方法相比，具有更高的灵敏度、选择性和稳定性；使用寿命长，反应时间相对较短，可实现在线实时检测；且性能不会因环境变化或特定气体引起催化剂中毒等而恶化。
传统的调制光源包括机械调制光源、中红外激光光源、铅盐二极管激光器以及非线性光源。然而，机械调制光源需要很高的机械精度和时间分辨率，调制响应较慢，而且容易影响光路；中红外激光光源缺乏连续波长的稳定性；铅盐二极管激光器的输出功率低，冷却要求较高；以及非线性光源具有复杂性和低功率，这些传统的调制光源均限制了NDIR光谱检测仪的应用。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种可以解决上述技术问题的电调制光源。
一种电调制光源，该电调制光源包括一碳纳米管-石墨烯复合膜结构、一第一电极及一第二电极，所述第一电极和第二电极分别与碳纳米管-石墨烯复合膜结构电连接，所述第一电极和第二电极用于向所述碳纳米管-石墨烯复合膜结构加载电压，所述该电调制光源在加载电压后在小于10毫秒的时间内升温至最高温度并发出白炽光，在去除电压后在小于10毫秒的时间内降温至其初始温度，所述电调制光源的调制频率大于等于150KHz。
相较于现有技术，本发明提供的电调制光源包括一碳纳米管-石墨烯复合膜结构，该碳纳米管-石墨烯复合膜结构能够辐射出很宽的光谱，增大碳纳米管-石墨烯复合膜结构的加载电压或者增大碳纳米管-石墨烯复合膜结构中的超顺排碳纳米管膜的层数和沿电流方向的长度就可以增大其辐射功率，因此该电调制光源具有灵活的可调性，操作简单且不影响光路。所述电调制光源能够实现150kHz甚至更高的调制频率，且能够在大约几毫秒甚至几百微秒的时间内迅速升温和冷却，调制响应迅速。
附图说明
图1为本发明实施例提供的电调制光源的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的碳纳米管-石墨烯复合膜结构的扫描电镜照片。
图3为将图2中的碳纳米管-石墨烯复合膜结构局部扩大后获得的扫描电镜照片。
图4为本发明实施例所提供的电调制光源在脉冲的占空比为50％，频率为10Hz的脉冲调制时脉冲信号和辐射信号在0.35-1.1微米(μm)和2.0-10.6μm两个波段时的辐射信号与脉冲信号的对比，其中横坐标是时间(time)，纵坐标加热电压(heating voltage)和信号(signal)。
图5为脉冲的占空比为50％，频率为20-500Hz时，碳纳米管-石墨烯复合膜结构在0.35-1.1μm波段的辐射信号随时间的变化曲线。
图6为脉冲的占空比为50％，频率为1k-50kHz时，碳纳米管-石墨烯复合膜结构在0.35-1.1μm波段的辐射信号随时间的变化曲线。
图7为脉冲的占空比为50％，频率为20-500Hz时，碳纳米管-石墨烯复合膜结构在2.0-10.6μm波段的辐射信号随时间的变化曲线。
图8为脉冲的占空比为50％，频率为1k-15kHz时，碳纳米管-石墨烯复合膜结构在2.0-10.6μm波段的辐射信号随时间的变化曲线。
主要元件符号说明
电调制光源 100
碳纳米管-石墨烯复合膜结构 102
第一电极 104
第二电极 106
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
以下将结合附图对本发明提供的电调制光源、非色散红外光谱检测系统及气体检测方法进一步地详细说明。
请参阅图1，本发明第一实施例提供一电调制光源100。所述电调制光源100包括一碳纳米管-石墨烯复合膜结构102及一第一电极104和一第二电极106。通过第一电极104和第二电极106在该电调制光源的两端施加电压，该电调制光源能够在加载电压后瞬间升温并发出热辐射，并能够在去除电压后瞬间降温至其初始温度。该瞬间升温是指电调制光源加载电压之后，从原始温度上到的最高温度所用的时间为毫秒级；瞬间降温是指加载电压去除之后，电调制光源从最高温度下降至初始温度的时间也为毫秒级。该毫秒级是指时间小于10毫秒。
所述碳纳米管-石墨烯复合膜结构包括至少一层碳纳米管膜和至少一层石墨烯膜层叠设置。所述至少一层碳纳米管膜包括多个碳纳米管，该多个碳纳米管通过范德华力连接。所述至少一层碳纳米管膜可以为由超顺排碳纳米管薄膜。所述至少一层碳纳米管膜可以为一仅由碳纳米管组成的结构。所述至少一层碳纳米管膜可以包括一层超顺排碳纳米管膜，也可以包括多层相互层叠设置的超顺排碳纳米管膜。所述石墨烯膜可以为一层完整的石墨烯膜，也可以由多层石墨烯膜搭接形成的膜状结构。碳纳米管-石墨烯复合膜结构中，以至少一层碳纳米管膜为载体，将石墨烯膜铺设在所述至少一层碳纳米管膜的表面，形成复合膜结构。本实施例中，所述碳纳米管-石墨烯复合膜结构是通过将四层垂直交叉铺设的超顺排碳纳米管膜铺在生长有大晶畴的石墨烯的铜箔上而后经过硫酸铵溶液腐蚀铜箔后得到的。从图2中可以发现所述碳纳米管-石墨烯复合膜结构的宏观结构呈现出非常清晰的交叉网格，加热后的复合膜的结构也呈现出清晰的交叉网络；从图3中可以观察到很明显的碳纳米管束交叉堆叠的形态，且在其底部是一层薄薄的膜，同时，这层膜不是完整的，而是由于铜箔上长的大晶畴的石墨烯碎片构成，因而导致了底层的薄膜的孔洞。由于石墨烯的存在，可以填充碳纳米管超顺排膜网格中的孔洞，减小碳纳米管超顺排膜的透过率。同时，由于碳纳米管超顺排膜表面上非常密集的网格，其反射率是非常低的，反射率接近0。因此，将石墨烯膜铺设在超顺碳纳米管膜的表面可有效增大超顺排碳纳米管膜的发射率。
当所述碳纳米管-石墨烯复合膜结构包括多层超顺排碳纳米管膜时，该多个超顺排碳纳米管膜层叠设置。相邻两层超顺排碳纳米管膜中的碳纳米管之间的交叉角可以为任何角度，优选90度，这样形成的碳纳米管薄膜结构更加稳定不容易破损。
所述超顺排碳纳米管膜由若干碳纳米管组成。所述若干碳纳米管基本沿同一方向择优取向排列，所述择优取向排列是指在超顺排碳纳米管膜中大多数碳纳米管的整体延伸方向基本朝同一方向。而且，所述大多数碳纳米管的整体延伸方向基本平行于超顺排碳纳米管膜的表面。当然，所述超顺排碳纳米管膜中存在少数随机排列的碳纳米管，这些碳纳米管不会对超顺排碳纳米管膜中大多数碳纳米管的整体取向排列构成明显影响。因此，不能排除所述超顺排碳纳米管膜中基本朝同一方向延伸的多数碳纳米管中并列的碳纳米管之间可能存在部分接触。
所述超顺排碳纳米管膜可以大面积制备，且通过改变其结构大小、层数和加载电压的大小或者频率，就可以改变其辐射能量分布和得到具有不同频率的光信号，因此，该碳纳米管-石墨烯复合膜结构作为电调制光源具有灵活的可调性。另外，在真空环境下，对所述碳纳米管-石墨烯复合膜结构通电后，当碳纳米管-石墨烯复合膜结构的温度达到一定时，该碳纳米管-石墨烯复合膜结构便开始辐射出明显的可见光，探测的波段涵盖了0.35-1.1微米(紫外-可见-近红外，UV-VIS-NIR)和0.2-10.6微米(近红外-中红外，NIR-MIR)。所述碳纳米管-石墨烯复合膜结构在真空中能达到1000K甚至更高的温度。
本实施例中，对碳纳米管-石墨烯复合膜结构通占空比为50％的脉冲进行调制，并用碲镉汞探测器和硅探测器探测复合膜的峰值温度为1066K时的调制信号，调制频率为10Hz，两个探测器能够探测辐射到的波段范围分别为2.0-10.6μm和0.35-1.1μm，两个波段的辐射信号，具体请参见图4。经过计算，在0.35-1.1μm波段，上升和下降时间分别为2.00±0.03ms和0.52±0.04ms；在2.0-10.6μm，上升和下降时间分别为2.01±0.06ms和3.12±0.37ms。碳纳米管-石墨烯复合膜结构的辐射信号能够对脉冲信号进行快速响应。在调制实验中，研究了频率从20Hz一直到50kHz的频率的脉冲调制作用下的辐射信号，详细结果见图5至图8。在脉冲占空比固定为50％，其峰值电压也固定的情况下，频率较大时，探测器的信号会变得很小，尤其是MCT探测器是非制冷的，当频率很高时辐射信号变得很小，导致探测到的信号中噪声非常明显，因此在2.0-10.6μm波段的结果中，只展示频率到15kHz的结果。
图4为时域分析时，示波器中得到的采用Si探测器和碲镉汞(MCT)探测器得到的所述碳纳米管-石墨烯复合膜结构102对脉冲电压的响应。由图4可以看出，在UV-VIS-NIR光波段Si探测器采集到的信号以及在NIR-MIR波段MCT探测器采集到的信号均能与方波脉冲的信号同步。图4说明所述碳纳米管-石墨烯复合膜结构102加载电压之后，碳纳米管-石墨烯复合膜结构102的温度瞬间升高并向外产生辐射，辐射的能量可成功被Si探测器和碲镉汞(MCT)探测器探测到，因此该所述碳纳米管-石墨烯复合膜结构102可以作为可调制的紫外至可见和红外光源来应用。
请参阅图5和图6，为调制频率为20-500Hz时，Si探测器得到的UV-VIS-NIR光波段的辐射信号。请参阅图7和图8，为调制频率为20-500Hz时，MCT探测器得到的NIR-MIR光波段的辐射信号。由图5-8可以看出，所述超顺排碳纳米管-石墨烯复合膜结构能够在加载电压后瞬间升温并发出热辐射，并能够辐射出可观的可探测的周期性辐射信号，而且所述碳纳米管-石墨烯复合膜结构在加载了脉冲电压之后能够辐射出具有时间周期性的并与调制信号同步的光信号。由于超顺拍碳纳米管碳纳米管膜和石墨烯都在非常宽的光谱范围内酷游光吸收性质，因此二者也能在宽光谱范围内辐射光，从而超顺排碳纳米管-石墨烯复合膜也具有宽光谱辐射能力。
本发明提供的电调制光源包括一碳纳米管-石墨烯复合膜结构，该碳纳米管-石墨烯复合膜结构能够辐射出很宽的光谱，增大碳纳米管-石墨烯复合膜结构的加载电压或者增大碳纳米管-石墨烯复合膜结构中的超顺排碳纳米管膜的层数和沿电流方向的长度就可以增大其辐射功率，因此该电调制光源具有灵活的可调性，操作简单且不影响光路。所述电调制光源可以实现大于等于150kHz的调制频率，且能够在大约几毫秒甚至几百微妙的时间内迅速升温和冷却，调制响应较快。且所述电调制光源为一碳纳米管-石墨烯复合膜结构，制备过程非常简单且可快速大面积制备，性能稳定容易保存，而且成本很低；因此本发明的电调制光源可以做到大尺寸，有望用作宽光谱光源使用，如应用在非色散红外气体监测中做电调制光源，通过使用多个不同波长的窄带滤光片，可以测试多种不同的气体，若使用不用波段的滤光片，则可以构造满足不用波段需求的光源。所述碳纳米管-石墨烯复合膜结构在真空中能达到非常高的温度，且该电调制光源的电调制频率可以达到150kHz甚至150kHz以上，这是现有的电调制热辐射光源较难实现的。
本发明的所述电调制光源的应用范围广泛，例如：可以作为高频可调制光源代替需要斩波器等机械调制的光学检测方法；还可以用于非色散红外光谱检测方法中进行气体检测；还可以作为傅里叶红外光谱仪或者其它场合的光源用于测试样品的性质，如吸收光谱、透反射等；也可以制备成光源阵列；或者将石墨烯和其他薄膜复合，如超薄金属膜、介电膜等，构造基于石墨烯的薄膜热辐射光源。
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 (10)

1.一种电调制光源，其特征在于，该电调制光源包括一碳纳米管-石墨烯复合膜结构、一第一电极及一第二电极，所述第一电极和第二电极分别与碳纳米管-石墨烯复合膜结构电连接，所述第一电极和第二电极用于向所述碳纳米管-石墨烯复合膜结构加载电压，所述该电调制光源在加载电压后在小于10毫秒的时间内升温至最高温度并发出白炽光，在去除电压后在小于10毫秒的时间内降温至其初始温度，所述电调制光源的调制频率大于等于150kHz。
2.如权利要求1所述的电调制光源，其特征在于，所述碳纳米管-石墨烯复合膜结构包括至少一层碳纳米管膜和至少一层石墨烯膜层叠设置。
3.如权利要求2所述的电调制光源，其特征在于，所述碳纳米管-石墨烯复合膜结构中，以至少一层碳纳米管膜为载体，将石墨烯膜铺设在所述至少一层碳纳米管膜的表面，形成复合膜结构。
4.如权利要求2所述的电调制光源，其特征在于，所述至少一层碳纳米管膜包括多个层叠铺设的超顺排碳纳米管膜，且相邻两层的超顺排碳纳米管膜中的碳纳米管之间的交叉角等于90度。
5.如权利要求2所述的电调制光源，其特征在于，所述碳纳米管-石墨烯复合膜结构中的至少一层碳纳米管膜包括10层超顺排碳纳米管膜层叠设置。
6.如权利要求2所述的电调制光源，其特征在于，所述所述至少一层石墨烯膜为一层完整的石墨烯膜。
7.如权利要求2所述的电调制光源，其特征在于，所述所述至少一层石墨烯膜包括多层相互搭接的石墨烯。
8.如权利要求1所述的电调制光源，其特征在于，在800℃至1200℃的温度范围内，在可见光波段，加载电压后所述碳纳米管-石墨烯复合膜结构的上升时间为3毫秒～4毫秒，加载电压去除后所述碳纳米管-石墨烯复合膜结构的下降时间为600微秒～1毫秒。
9.如权利要求1所述的电调制光源，其特征在于，在800℃至1200℃的温度范围内，在红外光波段，加载电压后所述碳纳米管-石墨烯复合膜结构的上升时间为2毫秒～3毫秒，加载电压去除后所述碳纳米管-石墨烯复合膜结构的下降时间为5毫秒。
10.如权利要求1所述的电调制光源，其特征在于，在真空环境下，对所述碳纳米管-石墨烯复合膜结构通电后，当碳纳米管-石墨烯复合膜结构的温度达到一定时，该碳纳米管-石墨烯复合膜结构便开始辐射可见光，探测的波段涵盖了0.35-1.1微米和0.2-10.6微米。
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