金　立, 史建君, 吳小平, 邢　丹

(浙江理工大學(xué) 理學(xué)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(xué) 理學(xué)院, 浙江 杭州310018)

以海洋光學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備(光纖光譜儀、光源等)為測量系統(tǒng)搭建熒光材料特性測試平臺,針對熒光的相關(guān)光學(xué)特性進(jìn)行研究。制備了桔紅、天藍(lán)、黃色、金黃、紫色、橙色6種液體和綠色、藍(lán)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(huán)境條件下的結(jié)果與精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明液體熒光試劑的接收強(qiáng)度總是高于粉末熒光試劑的接受強(qiáng)度。

熒光材料； 光學(xué)特性； 光纖光譜儀

熒光是在外界光照射下，會使熒光物質(zhì)發(fā)光的一種冷發(fā)光現(xiàn)象[1]。當(dāng)某一波長的入射光照射在某種熒光物質(zhì)時，熒光物質(zhì)會吸收光能從基態(tài)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，而且會發(fā)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(zhì)的發(fā)光現(xiàn)象也會隨之消失。1852年,G.G. Stokes首次發(fā)現(xiàn)了熒光現(xiàn)象,之后熒光現(xiàn)象就被廣泛應(yīng)用[2]。

熒光物質(zhì)是在金屬硫化物或稀土氧化物與活性劑配合下經(jīng)過煅燒而成,呈現(xiàn)出淺白色或無色,但是經(jīng)過紫外光的照射會發(fā)出不同顏色的可見光,發(fā)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(yīng)用在以下一些領(lǐng)域:

(1) 熒光交通標(biāo)志：熒光交通標(biāo)志主要為熒光黃、熒光橙和熒光黃綠3種,應(yīng)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(shù)：一是熒光防偽油墨,一是熒光防偽纖維[6-7]。

本實(shí)驗(yàn)以海洋光學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備(光譜儀、光源、光纖、樣品池座、線性可變?yōu)V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(zhì)的特性測試及性能表征的研究,了解其基本光學(xué)特性。

制備的熒光材料,包括桔紅、天藍(lán)、黃色、金黃、紫色、橙色6種液體和綠色、藍(lán)綠、桔紅、黃色、桃紅、桔黃6種粉末熒光材料,實(shí)現(xiàn)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(huán)境條件下的其他特性,比較不同系統(tǒng)下的結(jié)果與精度。

1　熒光的相關(guān)參數(shù)

(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(shù)樣品,吸光度與濃度成線性關(guān)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(qiáng)度和黑暗下的吸收強(qiáng)度，Rλ為參考強(qiáng)度。

(2) 熒光的輻照度。輻照度是某波長下樣品單位時間內(nèi)投射到單位面積上輻射的能量。用相對輻照度比較樣本發(fā)出的能量,采樣系統(tǒng)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(qiáng)度波長，Dλ為黑暗下吸收強(qiáng)度波長，Rλ為參考強(qiáng)度。

2　實(shí)驗(yàn)裝置

2.1光纖光譜儀實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)使用海洋光學(xué)公司的光纖光譜儀對LED的光度學(xué)和色度學(xué)特性進(jìn)行測量,使用Spectra Suite軟件來完成對數(shù)據(jù)的處理與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)框圖見圖1,圖2為實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)框圖

圖2　實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

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

圖3　實(shí)驗(yàn)測量的熒光試劑

2.2實(shí)驗(yàn)步驟

(1) 如圖3連接好實(shí)驗(yàn)平臺；

(2) 打開Spectra Suite軟件,打開LED燈開關(guān)；

(3) 根據(jù)向?qū)?待圖像穩(wěn)定時關(guān)閉LED燈等；

(4) 點(diǎn)擊存儲暗光譜,之后點(diǎn)擊消除暗光譜；

(5) 再次打開LED燈會得到清晰穩(wěn)定的圖像,將其保存下來。

3　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其分析

3.1液體熒光材料

分別使用采樣附件USB4000與USB2000+進(jìn)行相關(guān)測量,得到的6種液體熒光材料的發(fā)光強(qiáng)度分布曲線見圖4,波峰處數(shù)據(jù)整理見表1。

圖4　6種液體熒光材料發(fā)光強(qiáng)度光譜分布曲線

橙色液體黃色液體紫色液體天藍(lán)液體桔紅液體金黃液體USB4000波峰處強(qiáng)度/counts13412．8911566．1813988．1911347．0514059．3112093．07波峰處波長/nm601．20672．05658．92621．17600．80638．23USB2000+波峰處強(qiáng)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(xiàn)出的波長在600～680 nm之間變化,強(qiáng)度的大致范圍是10 000～20 000 counts。而USB2000+時所呈現(xiàn)出的波長在600～670 nm之間變化,強(qiáng)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(jìn)行相關(guān)測量,得到的6種粉末熒光材料的發(fā)光強(qiáng)度曲線見圖5,波峰處數(shù)據(jù)整理見表2。

圖5　6種粉末熒光材料發(fā)光強(qiáng)度光譜分布曲線

桔黃粉末黃色粉末綠色粉末藍(lán)綠粉末桔紅粉末桃紅粉末USB4000波峰處強(qiáng)度/counts11278．917182．4119433．1810134．6515631．593092．99波峰處波長/nm594．76600558．43635．26597．59595．99USB2000+波峰處強(qiáng)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(xiàn)出波長在550～600 nm之間變化,強(qiáng)度的大致范圍是3 000～22 000 counts。而USB2000+時所呈現(xiàn)出的波長在560～650 nm之間變化,強(qiáng)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(dāng)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(wěn)定的,而且接收到的強(qiáng)度也很高；當(dāng)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(wěn)定,強(qiáng)度也很低。對照這些熒光物質(zhì)的基本波長,可以發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的測量結(jié)果基本符合顏色所對應(yīng)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(lán)綠色、綠色的液體、粉末熒光材料所呈現(xiàn)出的測量結(jié)果作出對比，如圖6所示(圖中I為相對強(qiáng)度，λ為波長),整理的數(shù)據(jù)見表3。

表3　熒光材料測量結(jié)果對比(USB4000)

由圖6的比較可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)接收附件為USB4000時,液體熒光材料的接收強(qiáng)度總是高于粉末熒光材料的接受強(qiáng)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(jié)果對比(USB4000)

4　結(jié)語

通過海洋光學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備(光譜儀、光源、光纖、樣品池座、線性可變?yōu)V波片和反射鏡)搭建的熒光材料特性測試平臺,以及運(yùn)用Spectra Suite軟件獲得和處理數(shù)據(jù),分別得到6種液體、6種粉末熒光材料的光學(xué)特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。整個實(shí)驗(yàn)方便、簡單、準(zhǔn)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(xué)特性,有助于學(xué)生加深對光度學(xué)相關(guān)概念的掌握以及更好地理解熒光物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和原理,揭示隱藏在表面現(xiàn)象下的物理學(xué)規(guī)律。

同時,本平臺通過適當(dāng)改裝就可以用于其他測量,例如可以實(shí)現(xiàn)固體、液體樣品的反射測量、透射(吸收)測量,適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)有助于開展深入研究,激發(fā)學(xué)生的科學(xué)探究興趣。

References)

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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(xué)改革項(xiàng)目(jg2015053);浙江理工大學(xué)教育教學(xué)改革重點(diǎn)項(xiàng)目(jgyl1401)

金立(1972—) 男， 浙江杭州，碩士，高級實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)槲锢韺?shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器開發(fā).

E-mail：565427681@qq.com

TB34

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1002-4956(2016)9-0042-04