CC BY
147
УДК 621.396
Б.В. Поллер, Ю.Д. Коломников, Д.Е. Трушенко ИЛФ СО РАН, Новосибирск
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАНАРНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ АНТЕНН С ЛЮМИНОФОРАМИ ДЛЯ ЛАЗЕРНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Для приема ультрафиолетовых и видимых сигналов в качестве антенн предложено использовать полимерные пленки или волокна с примесью люминесцентных веществ [1]. Такие среды, обладая коэффициентом преломления большим, чем коэффициент преломления воздуха, приобретают волноводные свойства, концентрируя значительную долю преобразованного в видимый диапазон излучения в торец пленки или волокна, где оно может быть зарегистрировано фотоприемником (рис. 1).
УФ
Рис. 1. Люминесцентный преобразователь
Схожие идеи использовались для создания люминесцентных солнечных концентраторов (ЛСК), для применения в гелиоэнергетике. Важным преимуществом ЛСК является то, что они не требуют систем солнечного слежения в отличие от зеркальных и зеркально - линзовых концентраторов, и могут усиливать не только прямой, но и диффузный солнечный свет [3].
Световой выход люминофора зависит от его поглощательной способности (коэффициента экстинции). Как правило, доля поглощенного люминофором излучения не превышает 25%. Квантовых выход люминесценции современных люминофоров достигает значений превышающих 0,5, а для отдельных люминофоров достигает 1.
Для большинства люминесцирующих соединений существует перекрывание спектров поглощения и испускания. Это приводит к тому, что часть испускаемого излучения вновь поглощается другими молекулами люминофора (реабсорбция). Для полимерных образцов длиной менее 10 см потери света, связанные с реабсорбцией, составляют 20%, для более длинных пластин (20-25 см), потери света величиной порядка 30%. В ряде работ [3, 4] было также замечено, что потери на неполное внутреннее отражение
возрастают при неровностях поверхности пластин. При неровностях поверхности ~0,05 мм и 0 = 2 мм вероятность потерь на неполное внутреннее отражение увеличивается на 3% [3], а в некоторых работах для улучшения сбора света поверхность пленки матируют [5]. В то же время выход преобразованного излучения увеличивается, если «нерабочие» торцы пластины имеют зеркальное покрытие.
Световой выход преобразованного излучения в планарной антенне зависит от ряда факторов: от показателя преломления материала пластины; от типа применяемого люминофора; гомогенности и чистоты среды; качества полировки поверхностей; формы антенны и ее размеров; потерь света в материале антенны. Кроме того, оптическая антенна, как переносчик информации, должна обладать достаточно малым временем срабатывания. Следовательно, люминофор должен обладать очень малым временем послесвечения - порядка наносекунд.
К настоящему времени создано много полимерных материалов и полимерных веществ, которые используются в различных областях техники, науки и быта [2, 3, 5, 6, 7, 8, 9]. Полимерные материалы, которые являются матрицей для внедряемых в нее люминофоров, должны быть прозрачными как для УФ - излучения, так и для излучения люминесценции. Исходный полимер должен быть высокой степени очистки, максимальной оптической однородности, не должен содержать ионов переходных металлов. Ионы металлов Fe3+, Fe2+, V3+, V**, Mn3+, М2+, Q3+, ^2+, а также примеси ^, ^, Sn и др. имеют электронные переходы в области 0,4 -3 мкм и приводят к появлению в материалах полос поглощение значительной ширины, для отдельных ионов различающихся длинам волн максимального поглощения. Интенсивность поглощения отдельного атома этих металлов зависит с заряда иона и от концентрации примеси [3, 4].
К люминофорам предъявляются следующие требования:
- Эффективное поглощение излучения;
- Максимальное перекрывание кривых испускания красителя и чувствительности ФЭП (полоса наибольшей спектральной чувствительности ФЭП на основе кремния 0,5 - 0,95 мкм, на основе арсенида галлия 0,6-0,8 мкм);
- Минимальное перекрывание спектров поглощения и люминесценции (соотношение коэффициентов экстинкции на длине волны максимума флуоресценции и максимума полосы поглощения должно быть около 10'4);
- Хорошая растворимость в полимерах;
- Малое концентрационное и температурное тушение;
- Устойчивость к УФ излучению (срок службы не менее 5 лет).
Проверялась возможность создания планарной антенны с люминофором на основе полиакрилата «Акрилат - 13», выпускаемой отечественным производителем.
Полиакрилаты отверждаются под действием УФ - излучения. Полимеризация происходит в диапазоне длин волн до 460 нм, с максимальным эффектом в области длин волн 360-370 нм без полного доступа воздуха. Это свойство полиакрилатов было использовано для получения пленок с примесью люминофора.
Пленки отличаются прозрачностью, хорошей адгезией со стеклом, высокой химической и свето - и атмосферостойкостью, прозрачностью к ультрафиолету в области около 300 нм [8].
Схема изготовления планарного волновода изображена на рис. 2.
Рис. 2. Схема получения планарного волновода: 1 - лампа БУФ - 90; 2 -стеклянный пластины; 3 - акрилат с примесью люминофора; 4 - акриловая
пленка
Лампа БУФ - 90 имеет максимум излучения в области 360 нм с уменьшением мощности в видимой области до 500 нм. Кювета представляет собой стеклянную подложку с бортиками из акриловой пленки. Экспонирование смолы длилось 40 минут при температуре 18 - 20°С.
Акриловая смола за указанное время хорошо затвердевает, оставаясь в тоже время достаточно эластичной, что позволяет нанести ее на любую неровную поверхность.
Измерение энергетического выхода проводилось в темной комнате для снижения помех от других источников света. Энергетический выход определялся микроваттметром «Электроника ОТ 6» при облучении образцов ультрафиолетовой лампой. Фотоэлементом в микроваттметре является фотодиод ФД-11к. Излучение люминесценции подводилось к детектору с помощью полимерного волновода длинной 1,5 м диаметром 1 мм. Для уменьшения излучения лампы в видимой части спектра применялся ультрафиолетовый фильтр УФС-1. На рис. 3 приведен общий вид эксперимента.
Рис. 3. Основной вид экспериментальной установки: 1 - УФ лампа; 2 -фильтр; 3 - исследуемая пленка; 4 - волновод
Расстояние от лампы до фильтра 2 см. Мощность лампы на расстоянии 2 см, измеренная этим же приемником, 1 мкВт.
Сравнивался энергетический выход трех люминофоров (Родамин 6g, РОРОР, пара - Терфенил) различной концентрации, a также смесь двух люминофоров (Родамин 6g + РОРОР). Второй тип измерений проводился с пленками с зеркальным покрытием нерабочих ребер. В качестве зеркального покрытия была применена алюминиевая пудра.
Все пленки имеют толщину 0,65 мм, длину 75 мм и ширину 5 мм.
Так как чувствительность фотоприемника в области 400 - 550 нм (область люминесценции люминофоров) менее 10%, полученные данные прибора были приведены к максимуму чувствительности фотоприемника.
На рис. 4 и 5 представлены зависимости энергетического выхода от концентрации для люминофоров РОРОР и пара - Терфенил.
Пленки с люминофором Родамин 6g имею вдвое больший энергетический выход, чем другие люминофоры за счет высокого квантового выхода.
Энергетический выход люминесценции в зависимости от концентрации (средние значения)
нВт
180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 -0 -
с=10-3 с=10-2 с=10-1
концентрация моль/л
Рис. 4. Зависимость энергетического выхода для люминофора РОРОР
Энергетический выход люминесценции в зависимости от концентрации (средние значения) нВт
к
\
\
\
\
\
\
\
1——_____
с=10-3 с=10-2 с=10-1 концентрация моль/л
Рис. 5. Зависимость энергетического выхода для люминофора пара -
Терфенил
По результатам измерений видно, что увеличение концентрации люминофора приводит к резкому снижению энергетического выхода. Наблюдается эффект внутреннего фильтра. Чтобы этого избежать концентрация не должна превышать 10-4 - 10-3 моль] л [10].
Применение зеркальных покрытий позволяет увеличить энергетический выход в ~1,3 раза. Использование смеси двух красителей со значительно перекрывающимися спектрами поглощения и испускания (например РОРОР Хисп = 400 и Родамин 6g Хпогл мах = 450 нм) также позволяет повысить энергетический выход в 1,5 раза. Использование пластин с разными люминофорами, при последовательном размещении, с перекрывающимися спектрами поглощения и испускания позволит выбрать легко доступные и дешевые фотоприемники.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Голубенков А.А., Плюснин В.Ф., Поллер Б.В. Статья «Приемник УФ излучения на основе люминофора в пленке». VII международная научно-техническая конференция. Радиолокация, навигация, связь. Т 2. Воронеж, 2001.
2. Вяземский В.С. и др. Сцинтилляционный метод в радиометрии. М.: Госатомиздат, 1961 г.
3. Барашков Н.Н., Сахно Т.В. Оптически прозрачные полимеры и материалы на их основе. М.: Наука, 1991 г.
4. Шевердиев О.Н. Полимерные материалы. М.: Химия, 1995 г.
5. Барисенко Н.Н., Гундер О.А. Флуоресцирующие полимеры. М.: «Химия» 1987 г.
6. Красовицкий Б.М., Афанасиади Л.М. Моно- и бифлуорофоры. М.: «Химия», 2002 г.
7. Такахси Г. Пленки полимеров Л.: Химия, 1971 г.
8. Карякин М.И., Певцов В.Е. Технология полимерных покрытий М.: «Химия», 1983 г.
9. «Органические люминофоры и люминесцентные вещества». Каталог. Черкассы, 1988 г.
10. Левшин Л.В., Салецкий А.М. Оптические методы исследования молекулярных систем. Ч. 1. Молекулярная спектроскопия. - М.: Изд-во МГУ, 1994 г.
© Б.В. Поллер, Ю.Д. Коломников, Д.Е. Трушенко, 2006
