除了众所周知的机械和电子特性外，碳纳米管还展现出一系列独特的光学特性。虽然人们对碳纳米管的关注主要集中在结构材料上，但它们也可用于专业的光学应用。本文将探讨碳纳米管的光学特性，以及它们在光学领域的一些应用。

碳纳米管的光学特性

碳纳米管通常以其高纵横比和机械强度特性而闻名；然而，碳纳米管还具有一系列有益的光学特性，这意味着它们可以用于专业的光学应用。

碳纳米管具有独特的光吸收特性，与体材料中的光吸收特性不同。然而，由于纳米管的高长宽比，它们的许多特性仅适用于纳米管的一个方向。这些独特的吸收特性也源于碳纳米管通常根据其取向被归类为金属或半导体。

光会通过碳纳米管发生弹性散射，但散射方式各向异性。这是因为碳纳米管具有非线性折射特性（三阶非线性）。这些非线性光学特性的产生是因为非局域π电子在固定晶格结构内仅进行一维运动。这些三阶非线性光学特性还可能引发其他现象，例如三次谐波产生 (THG)、光学克尔效应、自聚焦和相位共轭。

碳纳米管还具有可饱和吸收特性。因此，当光线照射到纳米管时，纳米管会线性吸收光线，直至达到饱和点。一旦吸收的光量超过饱和极限，纳米管就会变得透明。

众所周知，碳纳米管吸收光会产生激子，即电子和空穴的电荷分离，其中每个电子都构成一个激子。此外，研究表明，碳纳米管还可以形成双激子复合物（由两个空穴和两个电子组成的四粒子系统）并保持稳定。由于可以产生这些激发态，碳纳米管还可以表现出荧光、光致发光和电致发光特性。碳纳米管通常在近红外范围内发光，并且具有很高的光稳定性。

应用

由于碳纳米管具有独特的光学特性，它们可以用于各种应用。一些例子包括各种类型的生物传感器、光学整流天线和光纤风速计。

光学生物传感器

碳纳米管可用作传感器的一部分，用于检测各种生物分子，例如检测DNA、葡萄糖、过氧化氢、三磷酸腺苷（ATP）、一氧化氮和各种蛋白质的生物分子。为了提高碳纳米管的生物相容性，通?；嵊糜谢肿佣云浣泄δ芑?，或将其复合成生物相容性基质。迄今为止，碳纳米管光学传感器种类繁多，这或许是利用碳纳米管光学特性的最广泛的应用领域。

这些装置中碳纳米管的传感机制有三种常见，分别是电光性质的变化、电化学荧光和猝灭机制；这些提供了可测量的响应，使得能够监测生物分子的胞吐、实时监测上述小分子、检测活性/自由基种类、检测核苷酸的多态性、检测生物标志物的存在以及检测DNA的杂交、测序和构象多态性的水平。

光学整流天线

碳纳米管可用作光学整流天线的一部分，该装置可将自由传播的电磁波（在规定的光频率下）转换为直流电（DC）。这个过程称为整流。

在本应用中，碳纳米管可用作天线材料，并与PHz级金属-绝缘体-金属隧道二极管耦合。为了充当天线，碳纳米管被垂直放置，当它们受到可见光和红外光照射时，可以产生直流开路电压和开路电流。这些整流天线已被证明也可以在太阳光下工作，且整流天线的性能不会发生任何变化。

光纤风速计

碳纳米管也可用于风速计，即一种测量风速或气体速度的传感器。碳纳米管可用于涂覆热线风速计中的倾斜光纤布拉格光栅 (TFBG)。这些布拉格光栅可嵌入传感器中，用作光耦合和温度传感元件。虽然这些布拉格光栅通常不带碳纳米管（通常使用金属涂层），但已证明，加入这些碳纳米管涂层可以提高光栅的光吸收效率（高达 93%）。

这是因为，当光进入传感器时，它会沿着光纤传播。但由于光无法逃脱光纤包层，碳纳米管会吸收大量的光。