Измерение спектральных характеристик волоконных световодов с органическими красителями

Введение

Измерение температуры является одной из важнейших и неотъемлемых составляющих многих технологических процессов. Однако в областях техники с воздействием сильных электромагнитных полей, например, в силовой энергетике [1−3] (силовые электрические машины, мощные трансформаторы, усилители и т. д.), в системах с СВЧ-излучением (мощная радиопередающая аппаратура, СВЧ-печи, медицинские устройства СВЧ-терапии) и др., осуществление измерения температуры затруднительно и порой невозможно в связи с отсутствием нужных измерительных устройств.

Традиционные устройства измерения температуры, такие как термопары, термисторы, терморезисторы и т. д., в системах с воздействием сильных электромагнитных полей могут быть применены только совместно со сложными системами экранировки, так как возникают помехи, связанные с взаимодействием металлических компонентов измерительных устройств с сильными электромагнитными полями. Экранирующие системы зачастую невозможно использовать по конструктивным и технологическим причинам. Основными требованиями, предъявляемым к устройствам измерения температуры в системах с воздействием сильных электромагнитных полей являются: отсутствие собственной проводимости; простота и универсальность компонентов; малые размеры; возможность проведения измерений на расстоянии.

Требованию отсутствия собственной проводимости отвечают измерительные устройства, в основу которых положены оптические методы. Среди оптических методов измерения температуры можно выделить две основные группы — амплитудные и фазовые. Амплитудные измерительные устройства подходят по требованиям по таким параметрам как простота, универсальность компонентов и малым размерам. Принцип действия таких устройств основан на изменении мощности оптического сигнала при изменении температуры окружающей среды. С целью проведения дистанционных измерений наиболее удобно использовать волоконно-оптические линии связи в качестве среды передачи оптических сигналов.

В основе современных волоконно-оптических амплитудных методов измерения температуры лежат такие физические явления, как: эффект изменения теплового излучения (оптическая пирометрия) [4, 5]; эффект смещения края полосы поглощения света, проходящего через кристалл полупроводника [4−8]; эффект температурного тушения флуоресценции [4−7]; эффект изменения поглощения света в дисперсных средах (изооптическая термометрия) [9, 10]; различные эффекты изменения пропускания или отражения [4−7, 11].

На сегодняшний день существует очень мало оптических устройств измерения температуры в системах с воздействием сильных электромагнитных полей. В их состав входит дорогостоящая и сложная аппаратура обработки и регистрации оптических сигналов, поэтому они не удовлетворяют требованиям простоты и универсальности компонентов и не являются доступными.

Глава 1. Литературный обзор

1.1 Обоснование выбора оптических методов измерения температуры в условиях воздействия сильных электромагнитных полей

В настоящее время существуют различные методы измерения температуры, которые достаточно широко освещены в литературе, например в [12, 13]. Температуру измеряют с помощью устройств, использующих различные свойства жидкостей, газов и твердых тел. В табл. 1.1 приведены наиболее распространенные устройства для измерения температуры и практические пределы их применения. Анализ отечественных и зарубежных публикаций о методах измерения температуры в устройствах в присутствии сильных электромагнитных полей показал, что существующие неоптические методы не позволяют проводить измерение температуры непосредственно сред, подвергаемых нагреву при воздействии сильных электромагнитных полей. Например, разработанные фирмой Samsung температурные датчики для бытовых микроволновых печей на основе термоэлектрических эффектов не регистрируют процесс нагрева продуктов в рабочей камере печи, а лишь сигнализируют о перегреве элементов конструкции посредством контроля температуры в отсеке воздухообмена печи. В условиях присутствия сильных электромагнитных полей, в том числе и полей СВЧ диапазона, в традиционных устройствах для измерения температуры на основе термопар, термисторов, терморезисторов и других используются сложные системы экранирования [15 — 17]. Основными причинами необходимости экранирования являются следующие: нагревание металлических компонентов в высокочастотных электромагнитных полях, опасность появления кратковременных высоковольтных разрядов, а также опасность попадания искры через металлические провода на легковоспламеняющиеся и взрывоопасные среды. Кроме того, металлические провода сами влияют на нагрев среды. Так при СВЧ нагревании поля могут переотражаться проводами, что вызывает перераспределение теплового поля. Кроме того, вследствие высокой теплопроводности, металлические провода в точках измерения создают значительное изменение температуры, что приводит к искажению данных измерения.

Способ измерения распределения теплового поля нагрева электромагнитными полями СВЧ диапазона без необходимости экранирования описан в. Предлагается использовать систему преобразователей в виде матрицы М х N термочувствительных непроводящих элементов из материала с углеродными добавками, размещенными на диэлектрическом основании. Данную матрицу после СВЧ нагрева вынимают из СВЧ камеры, помещают в термостат и совмещают с матрицей полупроводниковых термодатчиков, идентичной матрице термочувствительных непроводящих элементов, измеряют напряжения на выходах полупроводниковых термодатчиков, пропорциональные температурам термочувствительных непроводящих элементов. Такая система не обеспечивает регистрацию температуры в процессе технологического цикла в режиме реального времени.

Решением проблем, связанных с возникновением помех и наводок из-за присутствия металлических компонентов в традиционных температурных датчиках при нагревании в сильных электромагнитных полях может стать применение измерительных устройств на основе, оптических методов измерения температуры. Требования проведения дистанционных измерений могут быть выполнены при построении методов измерения с использованием волоконно-оптических линий.

Таб. 1.1

Устройства для промышленных измерений температур

1.2 Оптические методы измерения температуры

На сегодняшний день разработано большое количество оптических устройств для измерения температуры на основе различных физических эффектов [4 — 8]. По принципу действия все оптические методы измерений делятся на четыре класса в соответствии с тем, какой из параметров распространяющейся световой волны (Е₀ ехр[щt + ц]) используется для получения информации о регистрируемом физическом воздействии: амплитуда электрического поля (Е), фаза (ц), состояние и направление поляризации электрического вектора Р или частота (щ). Наиболее распространенными оптическими методами измерения температуры являются амплитудные и фазовые. К амплитудным методам измерения температуры, как уже упоминалось выше, относятся: оптическая пирометрия, поглощение света полупроводниками, температурное тушение флуоресценции, изменение оптических потерь. К фазовым методам измерения температуры относится оптическая интерферометрия.

Чтобы оценить названные оптические методы с точки зрения возможности их использования для измерения температуры в условиях воздействия сильных электромагнитных полей, рассмотрим их особенности и проведем их сравнительный анализ.

1.3 Оптическая пирометрия

В настоящее время метод оптической пирометрии является одним из наиболее развитых и используется в устройствах регистрации температуры различных сред [19−21]. Метод оптической пирометрии положен в основу многих приборов [22], например, оптических пирометров, сканирующих пирометров, тепловизоров, анализаторов температурного поля и т. д. В основе метода оптической пирометрии лежит свойство веществ при температуре Т > 0 К вследствие тепловых колебаний атомов и молекул испускать тепловое излучение. Энергия теплового излучения W_л на длине волны л, испускаемая черным телом при температуре Т, выражается формулой Планка (в единицах Вт· м^-3·ср^-1)

W_л = c₁л^-5{exp[c₂/(лT)]-1}^-1, (1.1)

где с₁ и с₂ — постоянные коэффициенты.

Суммарная энергия излучения (Вт/м²) получается путем интегрирования вышеприведенного выражения по всем длинам волн:

(1.2)

где у = 5,7 •10^-8 Вт · м^-2•К^-4 — постоянная Стефана-Больцмана.

Между л_m и Т существует зависимость, выражающая собой закон смешения Вина:

л_m Т = 2,9•10^-3 мК (1.3)

Таким образом, из формул (1.1) и (1.2) на фиксированной длине волны л_m можно определить температуру.

Особенностью метода оптической пирометрии является необходимость выбора компонентов в зависимости от температурного диапазона. Обычно для температур выше 600 ⁰С в качестве детектора применяются кремниевые элементы, а для температур ниже 600 °C — элементы на основе германия, соединения PbS и т. д. Диапазон прозрачности оптического волокна из кварцевого стекла 0,4 … 2,0 мкм, поэтому область измеряемых температур для волоконно-оптического измерителя излучения простирается примерно от +300 до +2000 ⁰С. Например, в работе описан пирометрический волоконно-оптический датчик температуры, предназначенный для измерения температуры внутри ядерных реакторов. Авторами показано, что датчик имеет достаточно хорошую чувствительность в температурном диапазоне от +250 до +800 °С. Для регистрации более низких температур необходимо применение специальных источников и приемников излучения, работающих в этой области длин волн, а также специальных оптических волокон, прозрачных для инфракрасных лучей, с длиной волны 2 мкм и более. Например, в волоконно-оптических пирометрических датчиках температуры, выпускаемых фирмой Соnах, США, используется сапфировое оптическое волокно.

В связи с вышесказанным можно сделать вывод о том, что использование метода оптической пирометрии для измерения +300 ⁰С затруднительно.

1.4 Поглощение света полупроводниками

В основе метода температурного изменения поглощения света полупроводниками лежит физическое явление смещения границы полосы поглощения полупроводников л_х при изменении температуры окружающей среды Т [4−8]. Для света с более короткой длиной волны, поглощение усиливается, причем по мере роста температуры Т граница полосы поглощения отодвигается в сторону более длинных волн. Проводившиеся исследования поведения полупроводников в сильных электромагнитных полях показали, что в полупроводниках носители зарядов взаимодействуют с полями, в результате чего происходит нагревание полупроводников. При создании устройств измерения температуры в условиях воздействия сильных электромагнитных полей на основе этого метода является обязательным наличие системы экранировки чувствительного элемента полупроводника.

1.5 Температурное тушение флуоресценции

Явление температурного тушения флуоресценции обусловлено повышением частоты процессов столкновения, что сопровождается дезактивацией возбужденных уровней путем безизлучательной колебательной релаксации молекул и понижением квантового выхода флуоресценции [26, 27].

Различают внешнее и внутренне тушение флуоресценции. Внешнее тушение связано с рекомбинационным взаимодействием. При этом доля переходов без излучения растет с увеличением температуры и уменьшением, интенсивности возбуждения, причем на послесвечение тушители оказывают большее действие, чем на свечение в процессе возбуждения. Роль центров тушения могут играть и мелкие электронные ловушки. При понижении температуры увеличивается время пребывания в них электронов, поэтому увеличивается вероятность рекомбинации последних с дырками. При возбуждении люминесценции излучением, поглощаемым основной решеткой люминофора, это вызывает в низкотемпературной области падение квантового выхода при уменьшении температуры. В результате на кривой I (T) (рис. 1.1) появляется максимум.

Рис. 1.1 Зависимость интенсивности люминесценции ZnS — 1•10^-4 Ag, Co — фосфора от температуры при концентрации кобальта 1,8· 10^-6 [30]

Максимум возникает и в тех случаях, когда конкурирующим центром является мелкая дырочная ловушка.

Помимо того, чем больше концентрация глубоких центров тушения, тем больше число дырок успеет перейти к ним от центров свечения за то время, пока электроны остаются на центрах тушения. Поэтому температура, при которой начинается эффективное тушение той или иной полосы тем ниже, чем_; выше отношение концентрации центров тушения к концентрации центров свечения. Доля безизлучательных переходов зависит также от плотности возбуждения. Это объясняется тем, что с увеличением интенсивности возбуждающего излучения скорость рекомбинации растет быстрее, чем скорость освобождения дырок с ионизованных центров или захвата электронов глубокими ловушками, играющими роль центров тушения. В результате эффект тушения ослабляется. По этой причине интенсивность люминесценции возрастает не пропорционально интенсивности возбуждения, имеет место так называемый сверхлинейный рост интенсивности люминесценции. Это явление, наблюдаемое также при наличии конкурирующего более «глубокого» центра свечения, является признаком рекомбинационной люминесценции.

Наряду с внешним тушением люминесценции существует также и внутреннее, происходящее внутри центра свечения. Модель потенциальных кривых (рис. 1.2) дает объяснение явлению внутреннего тушения.

Вследствие того, что потенциальная кривая возбужденного состояния смещена по отношению к потенциальной кривой основного состояния (правило Стокса-Ломмеля) и является обычно более пологой, возможно пересечение этих двух кривых, так что, находясь в возбужденном состоянии, система может принять такую же конфигурацию, какой она обладает в основном состоянии при достаточно большой величине колебательной энергии.

Рис. 1.2 Модель потенциальных кривых В этом случае происходит безизлучательный переход из возбужденного в основное состояние. Избыток колебательной энергии передается решетке основания люминофора. Согласно квантовой механике, достаточно даже, чтобы кривые просто сблизились друг с другом в такой мере, чтобы был возможен туннельный переход из одного состояния в другое.

В настоящее время существует два подхода к регистрации температуры по спектрам флуоресценции — регистрация интенсивности флуоресценции I (Fluorescence Intensity Ratio — FIR) [4, 7, 28 — 32] и регистрация длительности остаточной флуоресценции ф (Fluorescence Lifetime — FL) [28, 33 — 42].

В работе авторами был проведен сравнительный анализ подходов FIR и FL. Теоретически и экспериментально было показано, что оба подхода позволяют получать монотонную температурную зависимость флуоресценции. При этом было отмечено, что при низких температурах температурная зависимость имеет значительную чувствительность при измерениях по методу FIR, в то время как остается постоянной при измерениях по методу FL, т. е чувствительность близка к нулю. По мере увеличения температуры чувствительность в обоих методах становится приблизительно одинаковой. Таким образом, методы FIR являются более универсальными.

В основе современного подхода FIR лежит принцип двух длин волн [31], который заключается в нахождении значения температуры путем вычисления отношения значений интенсивности флуоресценции, измеренных на двух длинах волн. Такой способ регистрации позволяет производить калибровку данных и значительно снижает влияние ошибок на результаты измерений.

1.6 Флуоресцирующие красители

Существуют волоконно-оптические кабели на основе флуоресцирующих красителей «Родамин 6Ж» и «Родамин С».

Родамин G (С₂₈ H₃₁ N₂ O₃ Cl)

представляет собой фиолетовые кристаллы, растворимые в воде и спирте. Родамин 6G нашел применение в микроскопии как краситель люминесцентной микроскопии [43,44].

Родамин С (С₂₈ H₃₁ N₂ O₃ Cl)

Представляет собой красно — фиолетовые кристаллы. Температура плавления 210? С (с разложением), растворим в воде, спирте, ацетоне. Наиболее часто родамин С используют в ботанической цитологии, гистологии, энтомологии, микроскопии в качестве красителя люминесцентной микроскопии для прижизненного окрашивания нейтральных растительных жиров, митохондрий, цитоплазмы. 43,44]

1.7 Механизм люминесценции

ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ (от лат. lumen, род. падеж luminisсвет иescent — суффикс, означающий слабое действие), свечение вещества, возникающее после поглощения им энергии возбуждения. Представляет собой избыток над тепловым излучением, испускаемым веществом при данной температуре за счет его внутренней (тепловой) энергии. В отличие от других видов свечения (напр., рассеяния света, тормозного излучения) люминесценция характеризуется временем свечения, значительно превышающим период колебаний световой волны и составляющим от 10^-12 с до несколько суток. Понятие люминесценции применимо только к такому веществу (совокупности частиц), состояние которого не слишком отличается от термодинамически равновесного, иначе различие между люминесценцией и тепловым излучением теряет смысл. Механизм люминесценции заключается в образовании под действием энергии от внешнего или внутреннего источника возбужденных состояний атомов, молекул, кристаллов и в последствий испускании ими квантов света (фотонов). По типу возбуждения выделяют фотолюминесценцию (источник энергии возбуждения — свет), радиолюминесценцию (радиоактивное излучение), рентгенолюминесценцию (рентгеновское излучение), электролюминесценцию (электрическое поле), катодолюминесценцию (пучок электронов), триболюминесценцию (механическое воздействие), хемилюминесценцию (химические реакции) и другие. Различают молекулярную люминесценцию, при которой молекулы или атомы испускают фотоны при переходе из возбужденного состояния в основное квантовое состояние, и рекомбинационную люминесценцию, когда под действием энергии возбуждения образуются носители заряда (электроны и дырки в кристаллофосфорах) или ионы и радикалы (в газах, жидкостях, стеклах), последняя рекомбинация которых сопровождается испусканием фотонов. Переход из возбужденного состояния в основное происходит самопроизвольно (спонтанная люминесценция) или под действием внешнего электромагнитного излучения (вынужденная люминесценция). Испускание света может происходить не обязательно теми же молекулами, которые возбуждаются при поглощении энергии, но и другими, если происходит безизлучательная передача энергии возбуждения (сенсибилизированная люминесценция). Люминесценция характеризуют спектром испускания (фотолюминесценцию — также спектром возбуждения), квантовым выходом, поляризацией, кинетикой затухания. Флуоресценция характеризуется малой длительностью (менее 10^-6 с) и обусловлена испусканием фотонов при переходе системы из возбужденного состояния той же мультиплетности, что и основное состояниями. Она представляет собой излучательный переход в основное состояние S₀ из возбужденного синглетного состояния S₁.

Спектр испускания представляет собой зависимость интенсивности свечения от частоты (длины волны) испускаемого света. В литературе обычно приводят наблюдаемые спектры испускания, зависящие от спектральной чувствительности и градуировки прибора. Для получения истинного спектра испускания выражают интенсивность люминесценции в числе фотонов, приходящихся на единичный интервал частот. Спектром возбуждения люминесценции называется зависимость интенсивности свечения на фиксированной частоте от частоты (или длины волны) возбуждающего света Для получения истинного спектра возбуждения необходимо учитывать зависимость интенсивности возбуждающего света (выраженной в числе падающих или поглощенных фотонов в единицу времени) от частоты. При слабом поглощении света образцом истинный спектр возбуждения люминесценции в большинстве случаев совпадает со спектром поглощения люминесцирующего вещества. Положение (частота) полосы в спектре люминесценции определяется разностью энергий состояний, связанных излучательным переходом; интенсивность полосы и время затухания свечения — заселенностью возбужденного состояния и вероятностью перехода (или временем жизни возбужденного состояния). Как правило, люминесценция происходит при переходе молекулы в основное состояние S₀ с нижнего колебательного уровня первых возбужденных электронных состояний S₁ и T₁; при возбуждении молекулы в более высокие электронные состояния (S₂ и др.) или на верхние колебательные уровни состояний S₁ и Т₁ избыточная энергия, как правило, релаксирует гораздо быстрее (за время 10^-12 с), чем происходит испускание. При испускании фотона сохраняется равновесная ядерная конфигурация молекулы, свойственная возбужденному состоянию, поэтому при возвращении в основное состояние молекула обычно оказывается на одном из верхних колебательных уровней, соответствующем колебаниям тех химических связей, равновесная длина которых при данном электронном переходе меняется. В результате в колебательной структуре спектров люминесценции у множества молекул проявляются частоты колебаний основного состояния, тогда как в колебательной структуре спектров поглощения проявляются частоты колебаний возбужденного состояния. [45]

Рис. 1.4 Спектры люминесценции

1.8 Выводы и постановка задач работы

Анализируя представленные литературные данные, можно сделать вывод, что в настоящее время осуществление измерения температуры в условиях воздействия сильных электромагнитных полей является серьезной проблемой.

В связи с этим целью дипломной работы является: изучение спектральных характеристик полимерных оптических волокон, активированных флуоресцирующими красителями при различных температурах световода.

Для достижения указанной цели представляется необходимым решить следующие задачи:

1. Исследовать спектральные характеристики растворов красителей «Родамин 6Ж» и «Родамин С» в дистиллированной воде при различных температурах.

2. Аппроксимировать спектры излучения флуоресценции специальными функциями.

3. Построить калибровочную зависимость коэффициентов аппроксимации от температуры растворов.

4. Исследовать спектральные характеристики полимерных оптических волокон, активированных флуоресцирующими красителями при различных температурах волокна.

5. Построить калибровочную зависимость коэффициентов аппроксимации от температуры волокна.

6. Дать заключении о возможности создания на основе полимерных световодов датчика температуры.

Глава 2. Методическая часть

2.1 Методика определения спектральных характеристик полимерных оптических волокон, активированных красителями, при различных температурах волокна

полимерные оптические волокно краситель Для определения спектральных характеристик полимерных оптических волокон (ПОВ) нами была разработана экспериментальная установка, представленная на рис. 2.1. Установка состоит из следующих элементов:

1. Светодиод

2. Емкость с водой

3. Волоконно-оптический соединитель

4. Высокочувствительный спектрофотометр AvaSpec-2048

5. Персональный компьютер

6. Полимерное оптическое волокно, активированное красителем «Родамин 6Ж»

7. Термометр Рис. 2.1. Схема установки.

Накачка от светодиода (1) подается в полимерное оптическое волокно, легированное красителем Родамин 6Ж (6). ПОВ закреплено неподвижно в емкости с водой (2). Излучение из оптического волокна подается на высокочувствительный спектрофотометр (4), который соединен с ПОВ по средством волоконно-оптического соединителя (3). Затем сигнал со спектрофотометра передается через USB кабель на персональный компьютер (5). На экране ПК отображаются спектральные зависимости. Данные записываются в файл Excel. Температуру жидкости уменьшали от 70 до 20 ⁰С посредством естественного охлаждения. Регистрация температуры производилась термометром (7). Измерения спектра производилось через каждые 2 — 3 ⁰C.

2.1.1 Спектрофотометр AvaSpec-2048

Рис. 2.2. Внешний вид AvaSpec-2048

AvaSpec-2048 — высокочувствительный оптоволоконный спектрофотометр (рис. 2.2), который рекомендуется использовать как спектрофотометр, фотоколориметр, радиометр, нефелометр, флуориметр, флюороскан или люминометр для аналитических исследований с высокой фотометрической чувствительностью в спектральном диапазоне 200−1100 нм и оптическим разрешением от 0.04 нм. Спектрофотометр построен на базе AvaBench-75 платформы с симметричной оптической скамьей Czerny-Turner и 2048 элементной CCD детекторной матрицы. К основным оптическим элементам спектрофотометра относятся: входной оптоволоконный SMA коннектор (стандартное исполнение), дифракционная решетка, коллимирующее и фокусирующее зеркало. Возможность установки любой из 14 типов дифракционных решеток с различными дисперсионными характеристиками, входной оптической щели, цилиндрической колимирующей линзы для повышения чувствительности, специальных покрытий детектора для достижения спектрального диапазона измерений от 150 нм и подавления эффекта волн 2-го порядка позволяет оптимизировать спектрофотометрическую платформу в соответствии с реальными экспериментальными условиями. 2048 элементный профиль спектрального распределения с CCD детекторной матрицы снимается микропроцессорно управляемой электронной платой спектрофотометра и по USB/RS-232 интерфейсу передаётся в персональный компьютер.

Спектрофотометр AvaSpec-2048 существует в двух вариациях, в зависимости от используемого интерфейса USB. Для экспериментальной части дипломной работы использовался AvaSpec-2048 USB2 на базе электронной платформы AS-5216, который имеет аналогово-цифровой преобразователь 16 bit, 2 MHz и HD-26 коннектор. Версия USB2 отличается большим диапазоном времени интеграции, более высокой скоростью получения и передачи данных, возможностью измерений в триггерном режиме и синхронизации измерений. Функция сохранения большого числа результатов измерений в оперативной памяти спектрометра позволяет проводить измерения по всему спектру с очень высокой скоростью. Скорость передачи экспериментальных данных с спектрофотометра существенно повышена с помощью программного обеспечения AvaSoft путем сужения диапазона регистрируемого спектрального распределения.

Техническая спецификация

1. оптическая платформа / скамья: симметричная Crezy-Turner, фокальное расстояние 75 мм

2. волновой диапазон измерений: 200 — 1100 нм, зависит от типа решётки.

3. оптическое разрешение спектрометра: 0.04 — 20 нм, зависит от конфигурации.

4. рассеяный свет: < 0.1%

5. чувствительность AvaLight-HAL, 8 µm кабель: 20 000 единиц за 1 мс интеграционного периода.

6. детектор: CCD линейная матрица, 2048 элемента.

7. сигнал / шум: 200:1.

8. аналого-цифровой преобразователь: 16 bit, 2 MHz.

9. интеграционный период: 1.11 ms — 10 min.

10. интерфейс: USB 2.0 high speed, 480 Mbps, RS-232, 115.200 bps.

11. скорость получения данных с сохранением в памяти спектрометра: 1.1 мс / измерение.

12. скорость передачи данных: 1.8 мс/измерение.

13. цифровой вход/выход: HD-26 коннектор, 2 аналоговый вход, 3 цифровой вход, 12 цифровой выход, триггерный режим, синхронизация измерений

14. источник питания: питание от USB, 350 mA или внешнего источника SPU2 12VDC, 350 mA.

15. габариты: 175 * 110 * 44 мм

2.2. Методика подготовки растворов родамина для измерения спектров флюоресценции

Растворы родамина подготавливались следующим образом: твердые компоненты отвешивались на аналитических весах ВЛР-200 г (основные узлы которых представлены на рис. 2.3) с точностью взвешивания до 0,05 мг. Погрешность измерения массы по приборной шкале составляла не более 0,15 мг.

Навески «Родамина 6Ж» массой 25 мг помещались в стеклянную колбу и заливались 100 мл дистиллированной воды. 10 мл получившегося раствора переливали в другую колбу и добавляли еще 90 мл дистиллированной воды, все хорошо размешивали до полного растворения кристаллов.

Рис. 2.3. Основные рабочие узлы аналитических весов ВЛР — 200 г :

1 — основание; 2 — арретиры; 3 — дужка с подвеской; 4 — успокоитель колебаний коромысла; 5 — ручка регулирования нулевого положения шкалы; 6 — рычаги; 7 — серьги; 8 — калибровочные гайки; 9 — коромысло; 10 — регулировочные гайки; 11- опорная призма; 12 — стойка; 13 — кожух; 14 — ручка встроенных гирь; 15 — ручка установки отсчета; 16 — экран; 17- ручки введения весов в рабочее положение;18 — установочные ножки;19 — стрелка; 20 — объектив; 21 — оптическая шкала; 22 — ручка настройки четкости; 23 — конденсор; 24 — осветитель.

Таким образом, концентрации полученных растворов составили 25 мг/100 мл и 2,5 мг/100 мл, что эквивалентно концентрации Родамина 6Ж в световодах 250 мг/кг и 25 мг/кг. Аналогично получали раствор «Родамина С» в дистиллированной воде.

2.3 Методика измерения спектров излучения растворов Родамина в дистиллированной воде

В качестве источника накачки растворов родамина в дистиллированной воде использовалось излучение от лазерного модуля KLM-D532−5-5.

Основные параметры лазерного модуля KLM-D532−5-5:

1. Длина волны лазерного излучения, нм: 532

2. Расходимость светового пятна лазерного излучения, мрад: 0,5

3. Напряжение питания, В: 5

4. Рабочий ток, мА :249

5. Мощность лазерного излучения, мВт: 5,84

6. Начальный диаметр пучка излучения, нм: 5.

Схемы измерения спектров излучения растворов родамина 6Ж и родамина С (которые подготовлены по методике 2.2) представлены на рис. 2.3. Спектрофотометром AvaSpec-2048 регистрировалось излучение флуоресценции, испускаемое в обратном по отношению к излучению накачки направлению, а также излучение, выходящее из оптической кюветы с раствором красителя. Спектрофотометр был соединен с персональным компьютером (на экране которого отображались спектральные зависимости) посредством USB кабеля. Растворы красителей нагревали до температуры 50 ⁰С. Измерения спектров излучения флуоресценции производились в температурном диапазоне от 20 до 50 ⁰С через каждые 2−3 ⁰С.

Глава 3. Экспериментальная часть

3.1 Спектральные характеристики растворов родамина

Спектральные характеристики флуоресцирующих красителей хорошо известны. Спектры поглощения и флуоресценции, которые для многих красителей (в том числе и для родамина) зеркально симметричны относительно центральной длины волны обусловлены свойствами энергетических уровней молекул красителя.

Однако, как было выявлено при анализе литературных источников, спектр флуоресценции растворов красителей может зависеть от концентрации красителя, температуры и других факторов. Поэтому нами было проведено экспериментальное измерение спектров растворов родамина.

3.1.1 Объект исследования

В соответствии с целью и задачами работы (глава 1, раздел 1.8) в качестве объекта исследования использовались растворы «Родамина 6Ж» и «Родамина С» (рис. 3.1.) в дистиллированной воде, подготовленные по методике описанной в главе 2, разделе 2.

Концентрация родамина в растворах составляла 25 мг/100 мл и 2,5 мг/100 мл. Красители «Родамин 6Ж» и «Родамин С» (рис. 3.2.) были получены нами из Технического центра полимерных оптических волокон (г. Тверь). Родамин 6Ж представляет собой фиолетовые кристаллы, растворимые в воде и спирте. Родамин С представляет собой красно — фиолетовые кристаллы растворимые в воде, спирте, ацетоне.

Рис. 3.1. Растворы «Родамина С» (слева) и «Родамина 6Ж» (справа) в дистиллированной воде Рис. 3.2. Красители «Родамин 6Ж» и «Родамин С»

3.1.2 Исследование излучения флуоресценции, испускаемого в обратном по отношению к излучению накачки направлении

Для решения указанной задачи в соответствии с методикой, описанной в главе 2, раздел 2.3 были проведены экспериментальные измерения спектров излучения флуоресценции, испускаемого в обратном по отношению к излучению накачки направлении (рис. 3.3.). Измерения проводились в температурном диапазоне от 20 до 50 ⁰С, каждые 1−2 ⁰С. Примеры полученных спектров приведены на рис. 3.4. 3.7.

Рис. 3.3. Экспериментальные измерения спектров излучения флуоресценции, испускаемого в обратном по отношению к излучению накачки направлении.

Рис. 3.4. Спектральная зависимость излучения флуоресценции, испускаемого в обратном направлении, раствора родамина 6Ж (концентрация 25 мг/л) при различных температурах.

Рис. 3.5. Спектральная зависимость излучения флуоресценции, испускаемого в обратном направлении, раствора родамина С (концентрация 25 мг/л) при различных температурах Пик в диапазоне длин волн от 530 до 535 нм, как видно из графика, приведенного на рис. 3.5 — это накачка. Пики в диапазоне длин волн от 550 до 650 нм соответствуют флуоресценции красителя «Родамин С», что хорошо соотносится с данными, описанными в литературных источниках.

Рис. 3.6. Спектральная зависимость излучения флуоресценции, испускаемого в обратном направлении, раствора родамина 6Ж для различных концентраций красителя (25 мг/л и 250 мг/л) при Т = 23 ⁰С Рис. 3.7. Спектральная зависимость излучения флуоресценции, испускаемого в обратном направлении, раствора родамина С для различных концентраций красителя (25 мг/л и 250 мг/л) при Т = 23 ⁰С Исходя из особенностей условий проведения эксперимента, а именно из-за отсутствия стационарного крепления лазера, судить об изменении спектра излучения по изменению амплитуды сигнала нельзя. Поэтому данный параметр не был принят во внимание при проведении анализа изменения спектров в зависимости от температуры и концентрации красителя. Из представленных графиков видно, что спектр излучения флуоресценции, испускаемого в обратном накачке направлении, практически не зависит от концентрации красителя и температуры раствора.

3.3.1 Исследование излучения флуоресценции, выходящего из оптической кюветы с раствором красителя

Для решения указанной задачи в соответствии с методикой, описанной в главе 2, раздел 2.3 были проведены экспериментальные измерения спектров излучения флуоресценции, выходящего из оптической кюветы с раствором красителя (рис. 3.7.). Измерения проводились в температурном диапазоне от 20 до 50 ⁰С. Примеры полученных спектров приведены на рис. 3.8.-3.11.

Рис. 3.7. Экспериментальные измерения спектров излучения флуоресценции, выходящего из оптической кюветы с раствором красителя Рис. 3.8. Спектр излучения флуоресценции, прошедшего измерительную кювету для раствора родамина 6Ж в дистиллированной воде (концентрация 25 мг/л) при различных температурах Рис. 3.9. Спектр излучения флуоресценции, прошедшего измерительную кювету для раствора родамина С в дистиллированной воде (концентрация 25 мг/л) при различных температурах Рис. 3.10. Спектр излучения флуоресценции, прошедшего измерительную кювету для раствора родамина в дистиллированной воде соответствующий двум концентрациям 25 мг/л и 250 мг/л — для родамина С при Т = 23 ⁰С Рис. 3.11. Спектр излучения флуоресценции, прошедшего измерительную кювету для раствора родамина в дистиллированной воде соответствующий двум концентрациям 25 мг/л и 250 мг/л — для родамина 6Ж при Т = 23 ⁰С Для того чтобы выяснить, как изменяется и изменяется ли вообще спектр излучения, прошедшего измерительную кювету, нами на одном графике были построены спектральные зависимости для излучения флуоресценции, испускаемого в направлении, обратном излучению накачки (кривая 1, рис. 3.12.) и излучения, прошедшего измерительную кювету (кривая 2, рис. 3.12.)

Рис. а.

Рис. б.

Рис. 3.12. Спектры излучения флуоресценции: 1 — испускаемого в направлении, обратном излучению накачки, 2 — прошедшего измерительную кювету. а — для родамина 6Ж, б — для родамина С (концентрация 250 мг/л, Т = 23? С).

Анализируя полученные графики, можно сделать вывод, что спектр излучения флуоресценции, прошедшего измерительную кювету, имеет смещение максимального значения в длинноволновую область. Это позволяет заключить, что наблюдаемое изменение спектров излучения флуоресценции при изменении концентраций родамина в указанном диапазоне, обусловлено не изменением спектра флуоресценции, а самоабсорбцией излучения флуоресценции в коротковолновой части спектра.

3.2 Аппроксимация спектров излучения флуоресценции растворов родамина

Полученные спектры флуоресценции растворов красителей родамина С и родамина 6Ж при различных температурах были аппроксимированы математическими функциями: функцией Гаусса, стандартной функцией для аппроксимации импульсных сигналов, а также функциями:

(3.1)

(3.2),

где — длина волны, — характерная длина волны спектрального распределения, , — характерная спектральная длина фронта и спада спектральной характеристики, — коэффициент, связанный с интенсивностью излучения, — функция ошибок.

Примеры аппроксимации спектров приведены на рис. 3.13. — 3.14.

Рис. 3.13. Спектры флуоресценции излучения раствора родамина С (25 мг/л) до и после апроксимаци при Т=23?С.

Рис. 3.14. Спектры флуоресценции излучения раствора родамина 6Ж (25 мг/л) до и после апроксимаци при Т=23?С Как видно из представленных графиков, наилучшей аппроксимацией является аппроксимация спектра функцией 2. Применение данных формул для аппроксимации спектров излучения флуоресценции в дальнейшем может быть полезно с точки зрения упрощения расчета оптических характеристик многих волоконно-оптических устройств, как например, лазеров на красителях, накопителей солнечной энергии, датчиков температуры и др.

3.2.1 Температурные зависимости коэффициентов аппроксимации

Коэффициенты аппроксимации, входящие в формулы 3.1 и 3.2 были определены при помощи пакета программы Mathematica 5.1.

Полученные коэффициенты были сведены в таблицы. Для примера ниже приведена таблица, в которую сведены коэффициенты аппроксимации спектров излучения флуоресценции, испускаемого в направлении, обратном излучению накачки, для раствора родамина С (таб. 3.1).

После систематизации полученных данных, при помощи программы OriginPro 8.1 были построены графики зависимости коэффициентов аппроксимации от температуры растворов. На рис. 3.15 — 3.18 представлены примеры полученных графиков.

Таблица 3.1

Коэффициенты аппроксимации спектров излучения флуоресценции, испускаемого в направлении, обратном излучению накачки для раствора родамина С

Рис. 3.15. Зависимость коэффициента аппроксимации раствора родамина 6Ж л₀ от температуры Рис. 3.16 Зависимость коэффициента аппроксимации раствора родамина 6Ж I₀ от температуры Рис. 3.18.Зависимость коэффициента аппроксимации раствора родамина C I₀ от температуры

Коэффициенты t_{1 ,}t₂ показали слабую зависимость от температуры. Зависимость коэффициента л₀ от температуры (несмотря на сравнительно маленькое его изменение, приблизительно 1,5 нм) близка к линейной. Таким образом, можно сделать вывод, что использование аппроксимации спектров дает возможность построить калибровочную зависимость, связывающую и температуру растворов красителя. На основании чего можно предположить, что подобные температурные зависимости коэффициентов аппроксимации могут быть получены и на твердых образцах, легированных красителем. Что впоследствии может позволить создать на их основе температурный датчик.

Поэтому наши исследования были продолжены на образцах волоконно-оптического кабеля, заказанного в Техническом Центре полимерных оптических волокон (г. Тверь).

3.3 Характеристики образцов ПОВ, легированных родамином 6Ж

Так же производились измерения спектров флюоресценции в полимерных оптических волокнах, которые были изготовленны из полиметилметакрилата (ПММА) с добавлением красителя «Родамин 6Ж». В качестве материала ядра ПОВ использовался сополимер метилметакрилата с метилакрилатом (далее ММА/МА) в соотношении 95%/5% с добавкой красителя соответственно 5, 25, 50мг/кг, а в качестве отражающей оболочки использовались полифторакрилаты. ПОВ были получены методом экструзии при температуре 195- 200⁰ Ц. Параметры сердцевины ПОВ: показатель преломления (ПП) — 1,4895, диаметр — 950 мкм, параметры отражающей оболочки: ПП — 1, 4201, толщина — 25 мкм. Были изготовлены образцы ПОВ длиной до 100 м.

3.4 Исследование спектров флуоресценции ПОВ, активированных родамином 6Ж при различных температурах волокна

Измерения спектров флюоресценции в ПОВ проводились по методике, описанной в главе 2, раздел 2.1, на созданной в условиях лаборатории установке.

Исследовались ПОВ с концентрацией красителя 25 мг/кг при накачке красителя от зеленого и желтого светодиода, а так же полимерное оптическое волокно с содержание красителя 5 мг/кг при накачке от зеленого светодиода.

Температура волокна изменялась в диапазоне от 70 до 20? C. Измерения 2 — 3? C. Полученные спектры излучения флуоресценции в зависимости от температуры ПОВ представлены на рис. 3.18.

Рис. 3.18. Спектры излучения флуоресценции при различных температурах ПОВ (концентрация красителя 25 мг/кг, накачка желтым светодиодом) Рис. 3.19 Спектры излучения флуоресценции при различных температурах ПОВ (концентрация красителя 25 мг/кг, накачка зеленым светодиодом).

Рис. 3.20 Спектры излучения флуоресценции при различных температурах ПОВ (концентрация красителя 5 мг/кг, накачка зеленым светодиодом).

Так же как и в растворах родамина полученные спектры в волоконно-оптических световодах с красителем родами 6Ж были аппроксимированы математическими функциями: функцией гаусса, стандартной функцией для аппроксимации импульсных сигналов, а также функциям:

(1)

(2),

где — длина волны, — характерная длина волны спектрального распределения, , — характерная спектральная длина фронта и спада спектральной характеристики, — коэффициент, связанный с интенсивностью излучения, — функция ошибок.

Коэффициенты аппроксимации были получены и обработаны аналогично как и описано в главе 3, раздел 2.1 для коэффициентов аппроксимации в растворах с красителями родамин С и 6Ж. Полученные данные представлены в таблице 3.1

Таблица 3.1

Коэффициенты аппроксимации для полимерного оптического кабеля с добавлением красителя родамин 6Ж концентрацией 25 мг/кг при накачке зеленым светодиодом

Построены графики зависимости коэффициентов аппроксимации от температуры (Рис. 3.21- 3.23).

Рис. 3.21. Зависимость коэффициента аппроксимации л₀ от температуры Рис. 3.22 Зависимость коэффициента аппроксимации I ₀ от температуры.

Рис. 3.23 Зависимость аппроксимированного коэффициента I_o от температуры Коэффициенты t_{1 ,}t₂ показали слабую зависимость от температуры. Как и предполагалось, построенные графики показали, что коэффициенты аппроксимации зависят от температуры волокна. Несмотря на сравнительно маленькое изменение параметра — приблизительно 1 нм, использование аппроксимации спектров дает возможность построить калибровочную зависимость, связывающую и температуру волокна, соответственно, использовать волокно, активированное родамином в качестве датчика температуры.

Полимерные волокна также могут использоваться для изготовления оптических усилителей и источников излучения, в частности, волоконных лазеров, для преобразования излучения люминофоров и других целей. Одним из направлений, представляющим интерес для создания волоконно-оптических датчиков, является разработка оптически активных ПОВ с использованием органических красителей. Такой датчик может работать под воздействием сильных электромагнитных полей.

3.5 Заключение и выводы по работе

РазвиваяH работы кафедры по изучению по изучению спектральных характеристик образцов ПОВ, активированных флуоресцирующими красителями (полученных нами из Технологического центра полимерного волокна) в рамках дипломной работы были проведены исследования, конечной целью которых является создание температурного датчика.

Такие датчики температуры будут способны работать в условиях сильных электромагнитных полей. А так же обладать большой помехоустойчивостью, точностью, высокой гибкостью, небольшими габаритными размерами. Что позволит им быть конкурентоспособными.

В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1). Получены спектральные зависимости излучения флуоресценции растворов красителей «Родамин 6Ж» и «Родамин С» в дистиллированной воде в зависимости от температуры. И выявлено, что изменение спектров излучения флуоресценции при изменении концентраций родамина обусловлено не изменением спектра флуоресценции, а самоабсорбцией излучения флуоресценции в коротковолновой части спектра.

2). Проведена аппроксимация спектров излучения специальными функциями, что позволит в дальнейшем существенно упростить расчет характеристик различных волоконно-оптических устройств.

3). Исследованы спектральные зависимости излучения флуоресценции ПОВ, активированных флуоресцирующими красителями в зависимости от температуры световода.

4). Построены зависимости коэффициентов аппроксимации от температуры. И таким образом, получены калибровочные зависимости коэффициентов аппроксимации от температуры. Показана возможность создания на основе флуоресцирующего волокна температурного датчика.

Результаты проведенного исследования могут быть так же полезны для создания таких волоконно-оптических устройств, как лазеры на красителях, накопители солнечной энергии и др.

ГЛАВА 4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ