利用光纤光谱仪测试荧光材料特性

金　立, 史建君, 吴小平, 邢　丹

(浙江理工大学 理学院, 浙江 杭州　310018)



利用光纤光谱仪测试荧光材料特性

金立, 史建君, 吴小平, 邢丹

(浙江理工大学 理学院, 浙江 杭州310018)

以海洋光学实验设备(光纤光谱仪、光源等)为测量系统搭建荧光材料特性测试平台,针对荧光的相关光学特性进行研究。制备了桔红、天蓝、黄色、金黄、紫色、橙色6种液体和绿色、蓝绿、桔红、黄色、桃红、桔黄6种粉末荧光材料,检测了液体样品、固体样品的荧光光谱。通过Spectra Suite软件分析研究荧光材料在不同环境条件下的结果与精度。实验结果表明液体荧光试剂的接收强度总是高于粉末荧光试剂的接受强度。

荧光材料； 光学特性； 光纤光谱仪

荧光是在外界光照射下，会使荧光物质发光的一种冷发光现象[1]。当某一波长的入射光照射在某种荧光物质时，荧光物质会吸收光能从基态变为激发态，而且会发出一种光，相对于入射光而言，这种出射光的波长更长。如果马上停止入射光的照射,荧光物质的发光现象也会随之消失。1852年,G.G. Stokes首次发现了荧光现象,之后荧光现象就被广泛应用[2]。

荧光物质是在金属硫化物或稀土氧化物与活性剂配合下经过煅烧而成,呈现出浅白色或无色,但是经过紫外光的照射会发出不同颜色的可见光,发射光的颜色取决于颜料中活性剂的种类和含量[3]。目前荧光材料主要应用在以下一些领域:

(1) 荧光交通标志：荧光交通标志主要为荧光黄、荧光橙和荧光黄绿3种,应用最为广泛的就是荧光橙和荧光黄绿[4-5];

(2) 荧光防伪技术：一是荧光防伪油墨,一是荧光防伪纤维[6-7]。

本实验以海洋光学实验设备(光谱仪、光源、光纤、样品池座、线性可变滤波片和反射镜)搭建荧光材料特性测试平台,通过对荧光物质的特性测试及性能表征的研究,了解其基本光学特性。

制备的荧光材料,包括桔红、天蓝、黄色、金黄、紫色、橙色6种液体和绿色、蓝绿、桔红、黄色、桃红、桔黄6种粉末荧光材料,实现固体样品、液体样品的荧光光谱测量。并通过Spectra Suite软件分析,研究荧光材料在不同环境条件下的其他特性,比较不同系统下的结果与精度。

1　荧光的相关参数

(1) 荧光的吸光度[8-9]。吸收光谱用来测量样品对光的吸收，对于大多数样品,吸光度与浓度成线性关系。计算吸光度Aλ公式为

(1)

式中:Sλ和Dλ分别为某波长下样品的吸收强度和黑暗下的吸收强度，Rλ为参考强度。

(2) 荧光的辐照度。辐照度是某波长下样品单位时间内投射到单位面积上辐射的能量。用相对辐照度比较样本发出的能量,采样系统收集从一盏灯带来的黑体能量分布。计算相对照度Iλ的公式为

(2)

式中:Bλ为某波长下参考的相对能量(色温),Sλ为样品吸收强度波长，Dλ为黑暗下吸收强度波长，Rλ为参考强度。

2　实验装置

2.1光纤光谱仪实验装置

本实验使用海洋光学公司的光纤光谱仪对LED的光度学和色度学特性进行测量,使用Spectra Suite软件来完成对数据的处理与实验结果分析。实验装置结构框图见图1,图2为实验装置实物图。

图1　实验装置结构框图

图2　实验装置实物图

所使用的荧光试剂:桔红、天蓝、黄色、金黄、紫色、橙色6种液体荧光材料和绿色、蓝绿、桔红、黄色、桃红、桔黄6种粉末荧光材料见图3。

图3　实验测量的荧光试剂

2.2实验步骤

(1) 如图3连接好实验平台；

(2) 打开Spectra Suite软件,打开LED灯开关；

(3) 根据向导,待图像稳定时关闭LED灯等；

(4) 点击存储暗光谱,之后点击消除暗光谱；

(5) 再次打开LED灯会得到清晰稳定的图像,将其保存下来。

3　实验数据及其分析

3.1液体荧光材料

分别使用采样附件USB4000与USB2000+进行相关测量,得到的6种液体荧光材料的发光强度分布曲线见图4,波峰处数据整理见表1。

图4　6种液体荧光材料发光强度光谱分布曲线

橙色液体黄色液体紫色液体天蓝液体桔红液体金黄液体USB4000波峰处强度/counts13412．8911566．1813988．1911347．0514059．3112093．07波峰处波长/nm601．20672．05658．92621．17600．80638．23USB2000+波峰处强度/counts1553．64980．601197．501577．471347．331825．05波峰处波长/nm623．11664．92645．49598．42599．49605．50

6种液体荧光材料在采样附件为USB4000时所呈现出的波长在600～680 nm之间变化,强度的大致范围是10 000～20 000 counts。而USB2000+时所呈现出的波长在600～670 nm之间变化,强度的大致范围是500～3 000 counts。

3.2粉末荧光材料

分别使用USB4000与USB2000+ 进行相关测量,得到的6种粉末荧光材料的发光强度曲线见图5,波峰处数据整理见表2。

图5　6种粉末荧光材料发光强度光谱分布曲线

桔黄粉末黄色粉末绿色粉末蓝绿粉末桔红粉末桃红粉末USB4000波峰处强度/counts11278．917182．4119433．1810134．6515631．593092．99波峰处波长/nm594．76600558．43635．26597．59595．99USB2000+波峰处强度/counts1405．58932．06955．22366．73470．88793．48波峰处波长/nm599．13595．59564．58560．64641．31599．84

6种粉末荧光材料在采样附件为USB4000时所呈现出波长在550～600 nm之间变化,强度的大致范围是3 000～22 000 counts。而USB2000+时所呈现出的波长在560～650 nm之间变化,强度的大致范围是300～1 500 counts。

由图4和图5以及表1、表2可以看出：当采样附件为USB4000时,不论荧光材料为液体还是粉末,在Spectra Suite软件上显示的图像都是比较清晰稳定的,而且接收到的强度也很高；当采样附件为USB2000+时,液体和粉末荧光材料在Spectra Suite软件上显示的图像相对来说比较不稳定,强度也很低。对照这些荧光物质的基本波长,可以发现实验的测量结果基本符合颜色所对应的波长范围。

3.3液体、粉末材料的对比

在采样附件为USB4000时,分别对黄色、桔红色、蓝绿色、绿色的液体、粉末荧光材料所呈现出的测量结果作出对比，如图6所示(图中I为相对强度，λ为波长),整理的数据见表3。

表3　荧光材料测量结果对比(USB4000)

由图6的比较可以发现,当接收附件为USB4000时,液体荧光材料的接收强度总是高于粉末荧光材料的接受强度。这主要是由于液体的溶解比较全面,而粉末总是会有一些不溶或溶解不全面所致。

图6　液体、粉末荧光试剂的测试结果对比(USB4000)

4　结语

通过海洋光学实验设备(光谱仪、光源、光纤、样品池座、线性可变滤波片和反射镜)搭建的荧光材料特性测试平台,以及运用Spectra Suite软件获得和处理数据,分别得到6种液体、6种粉末荧光材料的光学特性实验数据。整个实验方便、简单、准确,而且通过各种图表清晰直观地展示了粉末与液体荧光材料不同的光学特性,有助于学生加深对光度学相关概念的掌握以及更好地理解荧光物质的结构和原理,揭示隐藏在表面现象下的物理学规律。

同时,本平台通过适当改装就可以用于其他测量,例如可以实现固体、液体样品的反射测量、透射(吸收)测量,适当的改进有助于开展深入研究,激发学生的科学探究兴趣。

References)

[1] 徐长远,王永生,黄最明.发光材料研究进展[J].光电子技术与信息,1997,10(1):8-12.

[2] 龙凌亮.一系列有机分子荧光功能材料的设计、合成及其应用研究[D].长沙：湖南大学，2010：2-8.

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[4] 卢雪丽.论荧光材料的实用[J].中华民居,2011(11):234-235.

[5] 郝海涛.白光LED用荧光材料的制备及性能研究[D].太原:太原理工大学,2006.

[6] 王艳忠,黄素萍.荧光防伪纤维的制造方法及其应用[J].合成纤维,2000(4):20-22.

[7] 唐爱民,刘泽民,孙志华.荧光防伪纤维荧光特性及其在防伪纸中的应用研究[J].造纸科学技术,2007,26(6):66-70.

[8] 徐叙珞,苏勉曾.发光学与发光材料[M].北京:化学工业出版社,2004:372-373.

[9] 柏海鹰,王济民.基于新型稀土发光材料的荧光光纤温度传感器系统[J].传感技术学报,2004,17(4):133-135.

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

浙江省高等教育教学改革项目(jg2015053);浙江理工大学教育教学改革重点项目(jgyl1401)

金立(1972—) 男， 浙江杭州，硕士，高级实验师，主要研究方向为物理实验教学与仪器开发.

E-mail：565427681@qq.com

TB34

B

1002-4956(2016)9-0042-04