CC BY
11
Научни трудове на Съюза на учените в България-Пловдив, серия Б. Естествени и хуманитарни науки, т.ХУЬ Научна сесия „Техника и технологии, естествени и хуманитарни науки", 30-31 Х 2013 Scientific researches of the Union of Scientists in Bulgaria-Plovdiv, series B. Natural Sciences and the Humanities, Vol. XVI.,IS SN 1311-9192, Technics, Technologies, Natural Sciences and Humanities Session, 30-31 October 2013
Микрокапиляра с флуоресциращо багрило на основата на възходящи едностранно-скосени оптични влакна
Веселин Владев, Тинко Ефтимов Факултет по физика и инженерии технологии Пловдивски университет „Паисий Хилендарски" Ул. Цар Асен 24, Пловдив 4000, България
A fluorescent-dye microtube using fiber optic conical up-tapers
Veselin Vladev, Tinko Eftimov Faculty of Physics and Engineering Technologies Plovdiv University "Paisii Hilendarski" 24 Tsar Asen St., Plovdiv 4000, Bulgaria
Abstract
In the present work we study the performance of a conical fiber optic up-taper on the fluorescence spectrum of dye-filled micro-capillaries. An abrupt short conical taper made of a SMF-28 optical fiber has been studied. The tubes were filled with solutions of Rhodamine 6G dissolved in ethanol and then in glycerin. Experimental data show that the maximum fluorescence and the largest spectral widths are observed for pump position around the apex of taper for the used concentration. These results show that miniature fiberized fluorescent-dye source can be developed using available micro-and fibre-optic components.
1. Резюме
В настоящата работа изследваме поведението на рязко скосено възходящо конично влакно в зависимост от флуоресцентния спектър на запълнени с багрило микрокапиляри. Изследвано е късо конично рязко-скосено влакно, изтеглено от стандартно оптично влакно SMF-28. Капилярната тръбичка беше запълнена с разтворен в етанол и след това в глицерин Родамин 6Ж. Експерименталните данни показват, че максималната флуоресценция и най-широк спектър за дадена концентрация се получават при местоположение на напомпващото влакно около върха на скосеното влакно. От резултатите следва, че е възмжно да се направят миниатюрни влакнесто-оптични източници с флуоресциращи багрила като се използват леснодостъпни микро- и влакнесто-оптични компоненти.
2. Увод
Скосените оптични влакна се създават от стандартни оптични влакна след загряване и изтегляне, което ги прави евтини, и лесни за производство. Те намират приложение например като сензори или като входно-изходни връзки в кръгови резонатори [1,2]. С
настоящата статия авторите продължават работа от предходни изследвания на зависимостта на флуоресцентния спектър от дължината на микрокапилярна структура запълнена с флуоресцентно багрило [3,4].
3. Експериментална постановка
Изследването на поведението на възходящо едностранно-скосено оптично влакно в зависимост от флуоресценцията от микрокапилярна тръбичка се извършва с опитната
^ Активна среда Микрокапилярна тръбичка
в)
Фиг.1. Схема и снимки на опитната постановка с три разгледани случая на ъгъл а сключван от помпещото и скосеното оптични влакна: а) а < 90°, б) а = 90 ° в) а > 90°.
постановка схематично и снимково представена на Фиг.1. Проведени бяха експерименти с три възможни разположения на приемащото скосено оптично влакно спрямо помпещото, показани на Фиг.1 а) а < 90°, б) а = 90° и в) а > 90°
Микрокапилярната тръбичка представлява капилярна тръбичка от силициев диоксид със защитно полимерно покритие, производство на фирма Polymicro Technologies. Капилярата е с външен диаметър от 362 цш и вътрешен диаметър 100 цm. За експеримента е използвана капиляра с дължина 16 шш и премахнато с помощта на химично съединение (Poly super strippa) защитно полимерно покритие. Капилярата е запълнена с разтвор на органичното флуоресцентно багрило Родамин 6Ж (Р6Ж) и закрепена неподвижно върху микропозиционер с три степени на свобода за линейни премествания и две степени на свобода за ъглови премествания. Р6Ж първо е разтворено в етанол и след това в глицерин. Бяха използвани етанол абсолютен и глицерин 99,89 % ЧЗА (сулфати 0,0002 %, хлориди 0,0001 %, тежки метали 5 ppm). Концентрацията на Р6Ж в пробата беше 4.10'4М. Приготвената капилярна проба беше странично възбуждана посредством оптично влакно SMF-28 закрепено към едноосов микропозиционер с помощта на държател. Единият край на напомпващото оптично влакно беше срязан под ъгъл от 90 ° а другият беше свързан към диодно-напомпван твърдотелен лазер, работещ в непрекъснат режим с дължина на вълната на изходното лъчение от 532 пш .
~35^m
\
Фиг.2. Рязко едностранно скосено оптично влакно.
В единия край на микрокапилярата беше поставено едностранно рязко-скосено оптично влакно, което служи за приемане на флуоресцентния сигнал. Негова снимка е показана на Фиг.2. То е изработено от оптично влакно SMF-28 с външен диаметър 125 цт и 9 цт диаметър на сърцевината. Използвания метод за създаването му е изтегляне на влакно SMF-28 до скъсване след загряване с газова горелка. Методът е показан схематично на Фиг.3. По оценка на авторите диаметърът на върха на скосеното влакно е ~35^т.
Сила на опън Сила на опън
♦
Газова горелка
Оптично влакно
Фиг.3. Създаване на скосено оптично влакно с използване на газова горелка.
За отчитане на флуоресцентния сигнал скосеното влакно беше свързано към CCD спектрометър (AvaSpec 2048, Avantes) с размер на входния процеп от 200 цш и към компютър за наблюдаване на флуоресцентния спектър.
4. Резултати
На Фиг.4 са представени част от спектрите на флуоресценция в зависимост от разстоянието x между позицията на облъчване и началната позиция на изследвания образец
микрокапиляра. Спектрите са снети със стъпка на преместване от 0,127 mm посредством микрометричен винт на едноосовия позиционер. На Фиг. 5 са показани моларната екстинкция и флуоресцентния спектър на Р6Ж разтворен в етанол [5,6] и спектър на помпещото лазерно лъчение. На фигурата са показани и няколко флуоресцентни спектъра снети при различни разстояния x.
1*300
12800
паоо
10300
эгоо
и;
с
£ fieoo
—
-
X 6600
ь
4400
3605
2SÜ0
11 япо
аоо
7 V Ра ¡™я пие, к {mil] >
I \ _»•*■ 2j0 _ 1 V --> i
/Т Л 1 I -V \ \ - ■ 2,4 --i,5 --2,7
' л\ 1 i \ — = 2,9
/ у//Г\\х\ - ' i.i » » • • 6,0 <=■-=> i.i
--11,4
500
5J0
540
560 seo too «о яо
Лкл^ннл КМ ШШ>Т>, ! (дц)
Фиг.4. Спектри на флуоресценция за скосено влакно при а > 90°.
ООО
ЬЗО
700-
JÚSÍ1Ú ísaciú 16800 14SOO
о 12Е00
g SS00
6800 <1800 2 500 HdO
I tí V J Jj-П MHHJ rij ПЬЛмЛТЛ Hi EJ ь J liv чл J i it; — . •ФлгОрКцбнщй — — Модырнй ЕКСТНЖЦШ * * * • 2.J90 mm
Г í f ■ if *
t i h * 1 \ - — - * ll^Umm
j f i i :
i i t 1 - * ^
« : *. , i * \
f f i i ■ ■ . i; \ с ■
? y / ¡Г - % í ч
' i / : i / \ \ 4 " v 4 Ч ч
/ i f » * • t
гаем íaeoo
1&S00 HfiOO 12S00 1ПЯ00
aeoo seoo ■leoo геоо
450 470 430 510 5Э0 5S0 570 5Í0 010 030 05O 070 030 Дкиш H;i шита. i. (Din)
Фиг.5. Моларна екстинкция и спектър на излъчване на Р6Ж, спектър на помпещото лъчение и флуоресцентни спектри за скосено влакно при а > 90°
Спектрите от Фиг.4 и Фиг.5 са снети при разположение на скосеното влакно от Фиг.1 в) а > 90°.
5 6 7 Пшпянм; ^ (Ни ¡11
Фиг.6. Изменение на максималния интензитет с промяна на позицията на възбуждане.
5 6 ?
Ра итояние, К (мин)
Фиг.7. Изменение на дължината на вълната при максимален интензитет с промяна на позицията на възбуждане.
На Фиг.6 са представени данни за изменението на максималния интензитет с промяна на възбужданата позиция за трите разгледани ъгли а. Постигнато е отместване на дължината на вълната с максимален интензитет от 16 пт за използваната концентрация. На Фиг.7 са
представени данни за изменението на централната дължина на вълната с максимален интензитет с промяна на възбужданата позиция за трите разгледани разположения на скосеното влакно. На Фиг. 8 са представени данни за изменението на полуширината на флуоресцентния спектър с промяна на възбужданата позиция за трите разгледани разположения на скосеното влакно.
Фиг.8. Изменение на полуширината на спектъра на флуоресценция с изменение на позицията на възбуждане.
5. Заключение
Получените експериментални резултати и избраната конфигурация на възходящи едностранно-скосени оптични влакна могат да послужат за разработването на компактен влакнесто-оптичен флуоресцентен източник. Авторите предполагат, че би могло да се получи пренастройка на дължината на вълната на изходното флуоресцентно лъчение не само от самопоглъщане в активната среда, но и с използване на външен елемент за пренастройка. Ще бъдат проведени допълнителни изследвания с възходящи едностранно-скосени оптични влакна за установяване на поведението им при вариране на параметрите на скосените участъци.
Литература
[1] Ye Tian, Wenhui Wang, Nan Wu, Xiaotian Zou, and Xingwei Wang, "Tapered Optical Fiber Sensor for Label-Free Detection of Biomolecules", Sensors, 11(4), 3780-3790, (2011).
[2] A. J. Maker, A. M. Armani, "NanoWatt threshold, alumina sensitized neodymium laser integrated on silicon", Optics Express 21 (22), 27238-27245 (2013).
[3] V.Vladev, T.Eftimov, "Fiberized fluorescent dye microtubes", Proc. of SPIE Vol. 8770 (2013).
[4] Веселин Владев, Тинко Ефтимов, "Пренастройваема овлакнена флуоресцентно-багрилна микротръбичка", Научни трудове на СУБ-Пловдив, (под печат).
[5] http://omlc.ogi.edu/spectra/PhotochemCAD/html/083.html
[6] Drexhage, K. H., "Fluorescence efficiency of laser dyes" J. Res. 80A, 421-428 (1976).
