CC BY
7
Научни трудове на Съюза на учените в България-Пловдив. Серия В. Техника и технологии, естествен ии хуманитарни науки, том XVI., Съюз на учените сесия "Международна конференция на младите учени" 13-15 юни 2013. Scientific research of the Union of Scientists in Bulgaria-Plovdiv, series C. Natural Sciences and Humanities, Vol. XVI, ISSN 1311-9192, Union of Scientists, International Conference of Young Scientists, 13 - 15 June 2013, Plovdiv.
Пренастройваема овлакнена флуоресцентно-багрилна микротръбичка Веселин Владев, Тинко Ефтимов Факултет по физика и инженерни технологии Пловдивски университет „Паисий Хилендарски" Ул. Цар Асен 24, Пловдив 4000, България Tunable fiberized fluorescent dye microtube
Abstract
In the present paper we study the effect of the length of fluorescent dye-filled micro-capillarie structure on the fluorescence spectra. A fiber-optic glass ferrule with two parallel 125 /m inner diameter holes has been studied. One of the holes of the tube was filled with a solution of Rhodamine 6G dissolved in glycerin, while in the second hole an angle-polished single mode pump optical fiber was placed. Experimental data show that the chosen configuration enables a gradual tunability of output fluorescent spectrum for the used concentration. Compact tunable fiber compatible fluorescent dye source can be developed using available standard fibre-optic components.
1. Въведение
Разработването на миниатюрни пренастройваеми лазерни източници съвместими с оптични вълноводни компоненти, в частност на основата на органични флуоресцентни багрила търпят значително развитие през последните години. Те намират приложение в такива области като дистанционното отчитане и медицината [1-3]. С настоящата статия авторите продължават работа от предходно изследване на зависимостта на флуоресцентния спектър от дължината на микрокапилярна структура запълнена с флуоресцентно багрило [4].
2. Експериментална постановка
Изследването на флуоресценцията от микро-капилярната паралелна структура се извършва с опитна постановка, показана схематично на Фиг. 1. На Фиг. 2 съответно е представена снимка на постановката. Стъкленият ферул е стандартен влакнесто-оптичен компонент за подравняване на оптични влакна. Той представлява стъклен цилиндър с диаметър 2,3 mm и
дължина 10,4 mm с два успоредни отвора, разположени по дължината му, всеки от които има диаметър от 125 цт. Единият отвор е запълнен с органичното флуоресцентно багрило Родамин 6Ж (Р6Ж) разтворено първо в етанол и след това в глицерин. В края на същия отвор, потопено във флуоресцентния разтвор е поставено и неподвижно закрепено едномодово над 1260 nm оптично влакно за приемане на флуоресцентния сигнал и означавано по-нататък като приемащо влакно (ПрВ) с чело, срязано под ъгъл от 90°.
Фиг.1 Схематично представят на пробата стъклен ферул.
Фиг.2 Стъклен ферул със запълнен един Фиг.3 Държател с полирани под
отвор сразтвор на Р6Ж в глицерин. ъгъл 45° помпещи влакна.
ПрВ е с външен диаметър от 125 ¡m и с диаметър на сърцевината от 9 ¡m. За отчитане на флуоресцентния сигнал ПрВ се свързва към CCD спектрометър (AvaSpec 2048, Avantes) с размер на входния процеп от 200 ¡гm и към компютър за наблюдаване на флуоресцентния спектър. Изследваната проба, поставена в държател заедно с приемащото влакно се закрепва неподвижно върху микропозиционер с три степени на свобода за линейни премествания и две степени на свобода за ъглови премествания. В съседния празен отвор за подаване на помпещо лъчение към флуоресцентния разтвор се поставя оптично влакно, едномодово над 1260 nm и маломодово за 532 nm, означавано по-нататък в статията като помпещо влакно (ПВ). То се свързва към диодно-напомпван твърдотелен лазер, работещ в непрекъснат режим с дължина на вълната на изходното лъчение от 532 nm. ПВ се закрепва към микропозиционер с две степени на свобода с помощта на медицинска игла и държател. Посредством този позиционер ПВ се премества по дължина на отвора с цел промяна на разстоянието x между положението на възбуждане и това на приемане на флуоресцентния сигнал. За провеждане на експериментите са използвани четири помпещи влакна. За отклоняване на лазерното лъчение към флуоресцентния разтвор челото на всяко от тях е полирано под ъгъл от 45° с помощта на полираща машина за оптични влакна. На Фиг.3 е показана снимка на държател с шест оптични влакна полирани под ъгъл от 45°. Преди полиране влакната са почистени, срязани, поставени в медицинска игла и закрепени с монтажна смола, след което иглата с влакната се поставя в специален държател под съответния ъгъл. Двата позиционера с пробата и влакната, се закрепват върху монтажна масичка, и се поставят за наблюдение върху микроскоп. Концентрацията на Р6Ж в пробата е 4.10-4М. За разтваряне на Р6Ж са използвани етанол 96,65 % и глицерин 99,89 % ЧЗА (сулфати 0,0002 %, хлориди 0,0001 %, тежки метали 5ppm).
3. Експериментални резултати
На Фиг. 4 и Фиг. 5 са показани формата на петното на помпещото лъчение от ъглово полираното ПВ преди поставянето му в пробата, както и формата на петното в зоната на облъчване на флуоресцентния разтвор след поставянето на ПВ в пробата. Избраната конфигурация позволява странично възбуждане на флуоресцентния разтвор. Това е следствие на факта, че помпещото лъчение се отразява от полираното под ъгъл от 45° чело на ПВ. По този начин може да се осветяват странично последователно различни участъци от флуоресцентния разтвор. Поради самопоглъщането на излъченото флуоресцентно лъчение от Р6Ж, се постига плавна пренастройка на изходния флуоресцентен сигнал.
Фиг.4 Форма на лазерното петно след ъглово полираното ПВ.
ь t
Фиг.5 Форма на петното в позицията на възбуждане.
Фиг.6 Разлика във формата на помпещите петна на различни ПВ.
На Фиг. 6 са показани снимки на различни форми на петната в позицията на облъчване за различни ПВ. Авторите предполагат, че това се дължи на разходимостта на снопа вътре в сърцевината. Ако NA0 е числовата апертура на влакното във въздуха, то в сърцевината ъгълът на разходимост 6>с1 ще се определи по закона на Снелиус:
n0 sin вс0 = n0NA0 = n1 sin вс1 (1)
За ni ш1,46 и NA0ш0.14 за 532 nm се получава, че sin вс1ш0.095 и вс1ш 5.5D . Ъгълът на пълно вътрешно отражение за топен кварц-въздух съответно е ас ш arcsin(1/n1) = 43U. Ако влакното е полирано под ъгъл i, то лъчите падащи нормално към челото, се отклоняват от оста на влакното под ъгъл:
Ai = arcsin(n1 sin i) - i (2)
При разходимост в сърцевината от 6>с1ш5.50 и полировка под 450, лъчите на разходящия сноп ще попадат върху ъглово полираното чело в интервала ъгли 39,50 и 50,50. За ъгли по-големи от 430 ще има пълно вътрешно отражение и светлината ще излиза от влакното
странично под ъгъл около 900, а за останалите ще излиза косо от изхода на влакното както е показано на Фиг. 7. Това обяснява наличието на две петна на изхода на влакното.
Лшн»пяН1«|Н "J M-HI 1 m
Фиг. 8 Спектри на флуоресценция при вкарване и изкарване на ПВ за различни разстояния между ПрВ и ПВ.
Проведени са експерименти с четири ПВ полирани едновременно под ъгъл от 45° след поставянето им в медицинска игла размер 18G, служеща за общ държател. С всяко ПВ са проведени пет експеримента, като са снети данни за флуоресцентните спектри при вкарване и изкарване на ПВ. Снетите спектри са в интервал x от 0 mm до 5,715 mm при стъпка от 0,127 mm.
Фиг. 9 Моларна екстинкция и спектър на излъчване на Р6Ж, спектър на помпещото лъчение и флуоресцентни спектри на проба стъклен ферул при вкарване и изкарване на ПВ.
На Фиг. 8 са представени част от спектрите на флуоресценция в зависимост от разстоянието x между позицията на облъчване и позицията на приемане на флуоресцентния сигнал на изследвания образец стъклен ферул. Спектрите са снети при вкарване и изкарване на ПВ от отвора на пробата със стъпка на преместване от 0,127 mm посредством микрометричен винт на позиционера с две степени на свобода. На Фиг. 9 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 при вкарване и изкарване на едно ПВ.
На Фиг. 10 са представени данни за изменението на дължината на вълната с максимален интензитет, както и изменението на съответстващия и интензитет с промяна на x от един експеримент с едно ПВ. На същата фигура са показани и теоретичните им апроксимации. На Фиг. 11 са представени средните стойности на теоретичните апроксимации за проведените експерименти с всички четири ПВ. Представените данни за апроксимациите се получават след използване на формула (3) за изменение на дължината на вълната и (4) за изменение на съответния и интензитет:
К(Х) = Кмн + (¿макс. - Кип. )(! - ехр(-«г))'
1 (х) = 1 шип. - (макс. - 1 шип. X1 - ехР(-ах))'
(3)
(4)
Фиг. 10 Зависимости на дължината на вълната при максимален интензитет и съответстващия им интензитет от разстоянието х с теоретичните им апроксимации.
Сри.литоИннкш
.......
А — ■ Лшь!
11 I шь 1
\\
%
—.
Фиг. 11 Средни стойности на апроксимациите за всички ПВ.
На Фиг. 12 са представени минималните (при максимален интензитет) и максималните стойности на дължината на вълната, както и позицията на максималния интензитет за всички ПВ. На фигурата са показани и усреднените стойности за съответните параметри.
За минимална дължина на вълната 'кср.мин = 561,45 пт и максимална дължина на вълната 'кср.макс.= 581,9 пт се получава пренастройка на дължината на вълната 20,5 пт при средно разстояние хср= 4,9 тт. Усредненото разстояние, при което се получава среден максимален интензитет е при хср. = 0,203 тт.
Фиг.12. Пренастройка на дължината на вълната и положение на максималния интензитет за всички ПВ.
4. Заключение
Въз основа на получените експериментални данни авторите правят заключение, че ъгълът на полиране на челото на ПВ оказва въздействие върху характеристиките на експерименталните данни. Вариации в ъгъла на полиране дават отражение върху формата на петното на помпещото лъчение. Тези заключения са предпоставка за допълнителни експерименти с ПВ, полирани под различни ъгли, за да се наблюдават евентуалните настъпили ефекти. Ще бъдат продължени експериментите с ПВ полирани под различни ъгли, както и опити с нанасяне на тънък, метален отражателен слой върху челата на ПВ с цел насочване на цялото помпещо лазерно лъчение към активната среда. Такива експерименти биха позволили оптимизиране на получените резултати от пренастройваемия флуоресцентен източник. Авторите предполагат, че избраната конфигурация и получените резултати могат да послужат за разработването на компактен лазерен източник на основата на органични лазерни багрила съвместим с оптични вълноводни компоненти.
Литература
1. Duarte, F.J. (ed.), [Tunable Lasers Handbook], Academic Press, New York, 5 (1995).
2. Fujii, T. (ed.), Fukuchi, T. (ed.), [Laser Remote Sensing], CRC Press, New York, 4 (2005).
3. Duarte, F.J. (ed.), [Tunable Laser Applications], CRC Press, New York, 8 (2009).
4. V.Vladev, T.Eftimov, "Fiberized fluorescent dye microtubes", Proc. of SPIE Vol. 8770 (2013).
5. http ://omlc.ogi. edu/spectra/PhotochemCAD/html/08 3. html
6. Drexhage, K. H., "Fluorescence efficiency of laser dyes" J. Res. 80A, 421-428 (1976).
