CC BY
20
Научни трудове на Съюза на учените в България-Пловдив, серия Б. Естествени и хуманитарни науки, т. XV, 2013 г. Научна сесия „Техника и технологии, естествени и хуманитарни науки", 25-26 X 2012 Scientific researches of the Union of Scientists in Bulgaria-Plovdiv, series B. Natural Sciences and the Humanities, Vol. XV, ISSN 1311-9192, Technics, Technologies, Natural Sciences and Humanities Session, 25-26 oktober 2012.
ФЛУОРЕСЦЕНТНИ БАГРИЛНИ РАЗТВОРИ ВЪЗБУЖДАНИ ЧРЕЗ ИМПУЛСНИ СВЕТОИЗЛЪЧВАТЕЛНИ ДИОДИ
Веселин Владев, Тинко Ефтимов Факултет по физика и инженерни технологии Пловдивски университет „Паисий Хилендарски" Ул. Цар Асен 24, Пловдив 4000, България
FLUORESCENT DYE SOLUTIONS PUMPED BY PULSED LEDS
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 possibility for pulse excitation of fluorescent organic dye solutions with the help of pulse-modulated light-emitting diodes in order to achieve laser generation in a pulse regime and produce a laser source, compatible with optical waveguide components. Pulse electrical circuits have been used for this purpose to pulse modulate three different light-emitting diodes. With their assistance a Rhodamine 6G solution in glycerin placed in a glass capillary tube was excited.
1.Въведение
Разработването на източници на кохерентно лъчение възбуждани с полупроводникови светоизлъчвателни диоди [1] предлагат една много по-евтина алтернатива на тези възбуждани с лазери. Те биха могли да послужат за изработване на миниатюрни, бързодействащи и евтини лазерни модули, позволяващи пренастройка на изходното лазерно лъчение с цел използването им в микрофлуидни системи или влакнестата оптична сензорика. В настоящата публикация се изследва възможността за импулсно възбуждане на органичного лазерно багрило родамин 6Ж (Р6Ж) разтворено в глицерин с помощта на импулсно модулирани светоизлъчвателни диоди, посредством изработени от нас електрически схеми.
2.Експериментална част
Бяха изработени две печатни платки [2] въз основа на схема от [3] показани на Фиг.1 и Фиг.2. Като електронен ключ беше използван MOSFET транзистор IRF830, управляван с помощта на MOSFET драйвер TC4426. За управление на електронния ключ използвахме генератор на импулси с инвертор M74HC132B1 с тигер на Шмит. За отчитане на светлинните
68
импулси въз основа на [4] беше изработена електрическа схема с ПИН фотодиод BPV10 (Фиг.Зв) показана на Фиг.Зг, имащ време на фронта на нарастане tr= 2,5 ns и чувствителност в цялата видима, близката инфрачервена и близката ултравиолетова област. За наблюдение на електрическите сигнали от фотодиода беше използван цифров 200 MHz осцилоскоп GW Instek GDS-2204. Използвани бяха светодиодите LXK2-PR14-Q00 (Фиг.За) излъчващ в синята област от електромагнитния спектър, ултравиолетов и зелен 5 mm едночипови светодиоди (Фиг.Зб). Спектрите на излъчване и на трите светодиода попадат в по-малка или в по-голяма степен в спектъра на поглъщане на Р6Ж. Отчетените изходни светлинни импулси с времена на фронтовете на нарастване са показани на фигури 4), 5) и 6) при 400 V високоволтово захранващо напрежение на електрическата схема. Параметрите на светлинните импулси от фигури 4), 5) и 6) са с фронт на нарастване/продължителност на импулса от 8,8 ns/36,2 ns за син светодиод, 7,8 ns/32,2 ns за ултравиолетов и 7,8 ns/34,2 ns за зелен светодиод. На Фиг.7 са представени моларната екстинкция на Р6Ж [5] и спектрите на изследваните светодиоди при различно високоволтово захранващо напрежение на електрическата схема. Спектрите на светодиодите са отчетени с помощта на спектрометър AvaSpec 2048 на Avantes, през оптично влакно с 200 дт диаметър на ядрото и наблюдавани на компютър. Както може да се види на фигурата с повишаване на високоволтовото напрежение спектъра на излъчване на всеки светодиод се измества към по-малките дължини на вълните. Най-голямо отместване, около 8 nm, се наблюдава при зеления светодиод, 6 nm за синия светодиод и под 1 nm за ултравиолетовия светодиод.
Лъчението от ултравиолетовия и зеления светоизлъчвателени диоди беше фокусирано върху изследвания обект посредством леща, с цел повишаване плътността на интензитета на попадащото върху пробата възбуждащото лъчение. Пробата беше приготвена, като определено количество Р6Ж беше разтворено в етилов спирт и след изпарение на етанола (разтворител) е добавен глицерин (матрица).
Фиг.1. Двете страни на електрическа Фиг.2. Двете страни на електрическа схема за схема за импулсна модулация на импулсна модулация на ултравиолетов и зелен светодиод LXK2-PR14-Q00. светодиод.
а б в г
Фиг. 3. а) Светодиод LXK2-PR14-Q00, б) 5 mm ултравиолетов и зелен светодиод, в) силициев ПИН фотодиод BPV10, г) фотодетектор с фотодиод BPV10.
Фиг. 4. Време на нарастване на предния фронт на изходния светлинен импулс от светодиод 1X^-^14^00.
Фиг.6. Време на нарастване на предния фронт на изходния светлинен импулс от зелен светодиод.
Фиг.5. Време на нарастване на предния фронт на изходния светлинен импулс от ултравиолетов светодиод.
С&етйдивдни 4пекгр« на кЗЛЪЧВЙНЁ
ЛскпирсцНОи
I_* . ...гС-цЛ^И,*»-
■ 1 ■ А Г ■ 1 . / 1
р ' 11 а>111га(1п(нАЛ*
■ 1 ' У 1 * »Ь-сичм^Ь»
|| 1 1 1 1 — ■ . ХЬ
" 1 1 1 1 —УИЙ1Ц1 ■- 1 !
': ' / Л
\! Т Г- м ; 'Л/
ш 'Уч чУ
1ВДЧ
П> Л) I» № А.Ч' № ^Н Ш ИИ -.л ЬП
Фиг. 7. Спектри на излъчване на ултравиолетов, син и зелен светодиод и спектър на поглъщане на Р6Ж.
Сместа е разбъркана до хомогенизиране, след което посредством капилярен ефект е запълнена стъклена капиляра. Р6Ж беше избран от нас за активна среда поради широката му известност като лазерно багрило, високия му квантов добив и поради това, че разполагахме с него.
З.Експериментални резултати
На фигури 9), 10) и 11) са представени спектър на флуоресценция на Р6Ж [5] и флуоресцентните спектри на възбуждания странично обект - стъклена капиляра с вътрешен диаметър от 1 тт, запълнена с разтвор на Р6Ж в глицерин посредством капилярен ефект показана на Фиг. 8. Концентрацията на Р6Ж в пробата беше 4.10-4 М. Използван беше етанол 96,65 % и глицерин 99,89 % чист за анализ (сулфати 0,0002 %, хлориди 0,0001 %, тежки метали 5 ррт). Спектрите са отчетени с помощта на спектрометър AvaSpec 2048 през оптично влакно с 200 цт диаметър на ядрото при различни високоволтови захранващи напрежения. Схемата беше оразмерена за захранване с високоволтово напрежение до 500 V, но за да не се претоварят светодиодите проведените опити бяха с високоволтови захранващи напрежения до 400 V Интензитетът на изходния флуоресцентен сигнал беше прекалено слаб и не беше възможно да бъде отчетен с изработения от нас фотодетектор, което възпрепятства снемането на времевите характеристики на флуоресцентния импулс. Не беше наблюдавана лазерна генерация, вероятно поради ниската плътност на интензитета на възбуждащото лъчение от светоизлъчвателните диоди. 70
Фиг. 8. Стъклена капиляра запълнена с Р6Ж/глицерин смес.
спгктр«
Фиг.9. Флуоресцентни спектри от изследвания обект, възбуждан със светодиод LXK2-PR14-Q00.
Фду(Ч№сце нтнн (пектри
ФЛ VDP4-4 Щ.ЧНТНИ Lril" НтрИ
it - It B.I Ii
шшшишашиа
ii-т—i-rnrnn A---HI
Фиг. 11. Флуоресцентни спектри от изследвания обект, възбуждан с фокусирано лъчение от 5 mm едночипов зелен светодиод.
Фиг.10. Флуоресцентни спектри от изследвания обект, възбуждан с фокусирано лъчение от 5 mm едночипов ултравиолетов светодиод.
4.Заключение
Въз основа на получените резултати може да се заключи, че избраното схемно решение и светоизлъчвателни диоди могат да се използват за импулсно възбуждане на разтвори на органични багрила. Предполагаме, че при използване на друга схема на възбуждане [1], при използване на резонатори с разпределена обратна връзка големината на прага на лазерна генерация може да се понижи до стойност, която може да бъде достигната при използване на настоящата електрическа схема и светоизлъчвателни диоди.
Благодарности
Авторите изказват благодарност на Стоян Тенев от Химически факултет на Пловдивски университет „Паисий Хилендарски" за полезните практически съвети и теоретични разяснения, благодарение на които беше изготвена използваната електроника.
Литература
[1] Y. Yang, G. A. Turnbull, and I. D. W. Samuel, "Hybrid optoelectronics: A polymer laser pumped by a nitride light-emitting diode", Appl. Phys. Lett. 92, 163306 (2008).
[2] Plovdiv university „Paisii Hilendarski" - Bulgaria Scientific papers, vol. 37, book 4, 2012 - Physics, 19-24
[3] www.ixyscolorado.com/index.php/product-support/ doc_download/47-pco-7110-series-manual
[4]http://physics.wm.edu/~evmik/classes/Physics_252_Analog_Electronics/weekly_pdf_ slides/Thorlabs_FDS100_specsheet.pdf
[5] Drexhage, K. H., "Fluorescence efficiency of laser dyes" J. Res. 80A, 421-428 (1976).
Рецензент: доц. д-р Тодорка Димитрова
