利用光纖光譜儀測試熒光材料特性

金　立, 史建君, 吳小平, 邢　丹

(浙江理工大學 理學院, 浙江 杭州　310018)

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利用光纖光譜儀測試熒光材料特性

金立, 史建君, 吳小平, 邢丹

(浙江理工大學 理學院, 浙江 杭州310018)

以海洋光學實驗設備(光纖光譜儀、光源等)為測量系統搭建熒光材料特性測試平臺,針對熒光的相關光學特性進行研究。制備了桔紅、天藍、黃色、金黃、紫色、橙色6種液體和綠色、藍綠、桔紅、黃色、桃紅、桔黃6種粉末熒光材料,檢測了液體樣品、固體樣品的熒光光譜。通過Spectra Suite軟件分析研究熒光材料在不同環境條件下的結果與精度。實驗結果表明液體熒光試劑的接收強度總是高于粉末熒光試劑的接受強度。

熒光材料； 光學特性； 光纖光譜儀

熒光是在外界光照射下，會使熒光物質發光的一種冷發光現象[1]。當某一波長的入射光照射在某種熒光物質時，熒光物質會吸收光能從基態變為激發態，而且會發出一種光，相對于入射光而言，這種出射光的波長更長。如果馬上停止入射光的照射,熒光物質的發光現象也會隨之消失。1852年,G.G. Stokes首次發現了熒光現象,之后熒光現象就被廣泛應用[2]。

熒光物質是在金屬硫化物或稀土氧化物與活性劑配合下經過煅燒而成,呈現出淺白色或無色,但是經過紫外光的照射會發出不同顏色的可見光,發射光的顏色取決于顏料中活性劑的種類和含量[3]。目前熒光材料主要應用在以下一些領域:

(1) 熒光交通標志：熒光交通標志主要為熒光黃、熒光橙和熒光黃綠3種,應用最為廣泛的就是熒光橙和熒光黃綠[4-5];

(2) 熒光防偽技術：一是熒光防偽油墨,一是熒光防偽纖維[6-7]。

本實驗以海洋光學實驗設備(光譜儀、光源、光纖、樣品池座、線性可變濾波片和反射鏡)搭建熒光材料特性測試平臺,通過對熒光物質的特性測試及性能表征的研究,了解其基本光學特性。

制備的熒光材料,包括桔紅、天藍、黃色、金黃、紫色、橙色6種液體和綠色、藍綠、桔紅、黃色、桃紅、桔黃6種粉末熒光材料,實現固體樣品、液體樣品的熒光光譜測量。并通過Spectra Suite軟件分析,研究熒光材料在不同環境條件下的其他特性,比較不同系統下的結果與精度。

1　熒光的相關參數

(1) 熒光的吸光度[8-9]。吸收光譜用來測量樣品對光的吸收，對于大多數樣品,吸光度與濃度成線性關系。計算吸光度Aλ公式為

(1)

式中:Sλ和Dλ分別為某波長下樣品的吸收強度和黑暗下的吸收強度，Rλ為參考強度。

(2) 熒光的輻照度。輻照度是某波長下樣品單位時間內投射到單位面積上輻射的能量。用相對輻照度比較樣本發出的能量,采樣系統收集從一盞燈帶來的黑體能量分布。計算相對照度Iλ的公式為

(2)

式中:Bλ為某波長下參考的相對能量(色溫),Sλ為樣品吸收強度波長，Dλ為黑暗下吸收強度波長，Rλ為參考強度。

2　實驗裝置

2.1光纖光譜儀實驗裝置

本實驗使用海洋光學公司的光纖光譜儀對LED的光度學和色度學特性進行測量,使用Spectra Suite軟件來完成對數據的處理與實驗結果分析。實驗裝置結構框圖見圖1,圖2為實驗裝置實物圖。

圖1　實驗裝置結構框圖

圖2　實驗裝置實物圖

所使用的熒光試劑:桔紅、天藍、黃色、金黃、紫色、橙色6種液體熒光材料和綠色、藍綠、桔紅、黃色、桃紅、桔黃6種粉末熒光材料見圖3。

圖3　實驗測量的熒光試劑

2.2實驗步驟

(1) 如圖3連接好實驗平臺；

(2) 打開Spectra Suite軟件,打開LED燈開關；

(3) 根據向導,待圖像穩定時關閉LED燈等；

(4) 點擊存儲暗光譜,之后點擊消除暗光譜；

(5) 再次打開LED燈會得到清晰穩定的圖像,將其保存下來。

3　實驗數據及其分析

3.1液體熒光材料

分別使用采樣附件USB4000與USB2000+進行相關測量,得到的6種液體熒光材料的發光強度分布曲線見圖4,波峰處數據整理見表1。

圖4　6種液體熒光材料發光強度光譜分布曲線

橙色液體黃色液體紫色液體天藍液體桔紅液體金黃液體USB4000波峰處強度/counts13412．8911566．1813988．1911347．0514059．3112093．07波峰處波長/nm601．20672．05658．92621．17600．80638．23USB2000+波峰處強度/counts1553．64980．601197．501577．471347．331825．05波峰處波長/nm623．11664．92645．49598．42599．49605．50

6種液體熒光材料在采樣附件為USB4000時所呈現出的波長在600～680 nm之間變化,強度的大致范圍是10 000～20 000 counts。而USB2000+時所呈現出的波長在600～670 nm之間變化,強度的大致范圍是500～3 000 counts。

3.2粉末熒光材料

分別使用USB4000與USB2000+ 進行相關測量,得到的6種粉末熒光材料的發光強度曲線見圖5,波峰處數據整理見表2。

圖5　6種粉末熒光材料發光強度光譜分布曲線

桔黃粉末黃色粉末綠色粉末藍綠粉末桔紅粉末桃紅粉末USB4000波峰處強度/counts11278．917182．4119433．1810134．6515631．593092．99波峰處波長/nm594．76600558．43635．26597．59595．99USB2000+波峰處強度/counts1405．58932．06955．22366．73470．88793．48波峰處波長/nm599．13595．59564．58560．64641．31599．84

6種粉末熒光材料在采樣附件為USB4000時所呈現出波長在550～600 nm之間變化,強度的大致范圍是3 000～22 000 counts。而USB2000+時所呈現出的波長在560～650 nm之間變化,強度的大致范圍是300～1 500 counts。

由圖4和圖5以及表1、表2可以看出：當采樣附件為USB4000時,不論熒光材料為液體還是粉末,在Spectra Suite軟件上顯示的圖像都是比較清晰穩定的,而且接收到的強度也很高；當采樣附件為USB2000+時,液體和粉末熒光材料在Spectra Suite軟件上顯示的圖像相對來說比較不穩定,強度也很低。對照這些熒光物質的基本波長,可以發現實驗的測量結果基本符合顏色所對應的波長范圍。

3.3液體、粉末材料的對比

在采樣附件為USB4000時,分別對黃色、桔紅色、藍綠色、綠色的液體、粉末熒光材料所呈現出的測量結果作出對比，如圖6所示(圖中I為相對強度，λ為波長),整理的數據見表3。

表3　熒光材料測量結果對比(USB4000)

由圖6的比較可以發現,當接收附件為USB4000時,液體熒光材料的接收強度總是高于粉末熒光材料的接受強度。這主要是由于液體的溶解比較全面,而粉末總是會有一些不溶或溶解不全面所致。

圖6　液體、粉末熒光試劑的測試結果對比(USB4000)

4　結語

通過海洋光學實驗設備(光譜儀、光源、光纖、樣品池座、線性可變濾波片和反射鏡)搭建的熒光材料特性測試平臺,以及運用Spectra Suite軟件獲得和處理數據,分別得到6種液體、6種粉末熒光材料的光學特性實驗數據。整個實驗方便、簡單、準確,而且通過各種圖表清晰直觀地展示了粉末與液體熒光材料不同的光學特性,有助于學生加深對光度學相關概念的掌握以及更好地理解熒光物質的結構和原理,揭示隱藏在表面現象下的物理學規律。

同時,本平臺通過適當改裝就可以用于其他測量,例如可以實現固體、液體樣品的反射測量、透射(吸收)測量,適當的改進有助于開展深入研究,激發學生的科學探究興趣。

References)

[1] 徐長遠,王永生,黃最明.發光材料研究進展[J].光電子技術與信息,1997,10(1):8-12.

[2] 龍凌亮.一系列有機分子熒光功能材料的設計、合成及其應用研究[D].長沙：湖南大學，2010：2-8.

[3] 張慧茹,黃素萍,龔靜華.熒光纖維的特性研究[J].合成纖維,2003(5):18-21.

[4] 盧雪麗.論熒光材料的實用[J].中華民居,2011(11):234-235.

[5] 郝海濤.白光LED用熒光材料的制備及性能研究[D].太原:太原理工大學,2006.

[6] 王艷忠,黃素萍.熒光防偽纖維的制造方法及其應用[J].合成纖維,2000(4):20-22.

[7] 唐愛民,劉澤民,孫志華.熒光防偽纖維熒光特性及其在防偽紙中的應用研究[J].造紙科學技術,2007,26(6):66-70.

[8] 徐敘珞,蘇勉曾.發光學與發光材料[M].北京:化學工業出版社,2004:372-373.

[9] 柏海鷹,王濟民.基于新型稀土發光材料的熒光光纖溫度傳感器系統[J].傳感技術學報,2004,17(4):133-135.

Measurement of fluorescent material properties by using fiber optic spectrometer

Jin Li, Shi Jianjun, Wu Xiaoping, Xing Dan

(School of Science,Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou 310018, China)

Using the ocean optical experimental instruments (fiber optic spectrometers, light source, etc.) as the measuring system, the fluorescent material properties test platform is built, and the related characteristics of fluorescence are studied. This paper puts forward to prepare six kinds of liquid with orange, sky blue,yellow, golden yellow, purple colors, and six kinds of fluorescent powder materials with green, blue-green, orange, yellow, pink, orange-yellow colors, and realizes the solid sample and liquid sample fluorescence spectrum measurement. By Spectra Suite software material analysis, this paper also studies the result of the fluorescent materials under different environmental conditions and precision. The experimental results show that the liquid fluorescent reagent receive strength is always higher than that of powder fluorescent reagent.

fluorescence material; optical properties; fiber optic spectrometer

10.16791/j.cnki.sjg.2016.09.012

2016-02-12修改日期：2016-03-29

浙江省高等教育教學改革項目(jg2015053);浙江理工大學教育教學改革重點項目(jgyl1401)

金立(1972—) 男， 浙江杭州，碩士，高級實驗師，主要研究方向為物理實驗教學與儀器開發.

E-mail：565427681@qq.com

TB34

B

1002-4956(2016)9-0042-04