Способ определения абсолютного квантового выхода люминесценции Советский патент 1991 года по МПК G01N21/64 

Изобретение относится к оптическим измерениям, а именно к измерению квантового выхода люминесценции, и может быть использовано в светотехнике для определения эффективности люминофоров, а также в научных исследованиях.

Известен способ измерения абсолютного квантового выхода люминесценции, заключающейся в том, что образец и эталонный экран с высоким коэффициентом отражения поочередно помещают внутрь интегрирующей сферы в облучающий поток монохроматического излучения, а об абсолютном квантовом выходе судят по соотношению между суммируемыми сферой полными потоками излучения люминесценции исследуемого образца и возбуждающего излучения, рассеянного эталонным экраном.

Для реализации этого способа известно устройство для определения квантового выхода люминесценции, содержащее источник излучения, монохроматор, интегрирующую сферу, эталонный экран с высоким коэффициентом диффузного отражения, находящийся внутри сф- ры, и фотоприемник. Измерение абсолютного квантового выхода проводится путем непосредственного сравнения суммируемых сферой полных потоков излучения люминесценции (ii) от исследуемого образца, помещенного вовнутрь сферы, и возбуждающего излучения (|0). рассеянного эталонным экраном.

Величина абсолютного квантового выхода люминесценции определяется по формуле

PER a-TE-REl Pi 1 - ТЕ - RE

/

(Л

С

Os О СЛ

00 Ю

где РЕ, PI,,ТЕ, RE - спектральные чувствительности (Р)коэффициенты пропускания и отражения на длинах волн люминесценции (L) и возбуждающего света (Е) соответственно.

а - измеряемое отношение для суммы потоков света люминисценции i tj (1-Te

&E)IO и возбуждающего света, непоглощен- його образцом, loU-TE-RE), к 10.

Недостатками данного способа являются, во-первых, невозможность учета перепоглощения излучения люминесценции, что дает значительно заниженные значения квантового выхода люминесценции, во-вто- эых, для веществ с высоким квантовым зыходом перепоглощение люминесцен- дии сопровождается вторичным излучением, которое обладает равномерной направленностью, нто повышает квантовый ьыход, в-третьих, коэффициент диффузного отражения эталонного экрана зависит or способа нанесения экрана, длины ЕОЛИЫ возбуждающего света (особенно в Уф-дмапазоне), что апосит дополнительную ошибку -10%,

Известен, также способ измерения квантового выхода люминесценции, заключающийся в том, что исследуемый образец и рассеивающий экран поочередно облучают монохроматическим излучением, а о ве- личине квантового выхода судят по соотношению между полным потоком рассеянного на окиси магния возбуждающего света и полным потоком излучения люми- несцснцчи.

Для реапмзации данного способа известно устройство для измерения квантового выхода люминесценции, содержащее источник излучения, монохроматор (набор светофильтров для выделения определенной длины волны), рассеиватель, фотопри- емник, узел крепления образца. Квантовый выход измеряется путем прямого сравнения потока излучения люминесценции и рассеянного на слое Мд возбуждающего света. Квантовый выход вычисляется по формуле

У

SEAE

a R,

гдеоМ/О-ПЕОО-КО:

RE, RL коэффициенты отражения возбуждающего (Е) света и в люминесценции (L) на выходном окне кюветы и на границе раствор-входное окно:

R - коэффициент рассеяния МдО; . AL, АЕ - средние длины волн люминес- цениии возбуждения;

4ir -- учет различия диаграмм направленности люминесценции и рассеяния.

Существенным недостатком этого устройства (как и предыдущего) является неучет явления перепоглощения на длине волны люминесценции, а для веществ с высоким квантовым выходом- перепоглощений и последующего резонансного возбуждения

люминесценции, Кроме того, необходим учет диаграммы направленности излучения люминесценции и рассеянного света,

Цель изобретения - повышение точности определения абсолютного квантового выхода люминесценции путем учета поглощения на длине волны люминесценции.

Поставленная цель достигается тем, что предлагаемый способ для измерения величины квантового выхода люминесценции заключается в том, что исследуемый образец облучают пучком монохроматического излучения с заданными энергетическими характеристиками, измеряют

энергетические характеристики излучения люминесценции и по соотношению между характеристиками возбуждающего излучения и характеристиками излучения люминесценции судят о величине абсолютного

квантового выхода люминесценции, и отличается тем, что измеряют распределение яркости свечения поверхности образца на длине волны люминесценции и о величине абсолютного квантового выхода люминесценции судят по отношению между распределением мощности в поперечном сечении пучка возбуждающего излучения и распределением яркости свечения поверхности образца на длине волны дюминесценции.

Для реализации данного способа используют устройство, содержащее источник возбуждения люминесценции, формирующую оптическую систему, узел крепления

образца и сканируемый селективный фотоприемник, в котором с целью повышения точности определения величины кьантово- го выхода люминесценции за счет учета поглощения излучения люминесценции

дополнительно размещен на оптической оси фотоприемника пространственный оптический фильтр, выделяющий излучение поверхности образца в окрестности точки, определяемой положением фотоприемника.

При этом значение квантового в.ыхода .определяется численным решением интегрального уравнения, описывающего распределение яркости образца на длине

волны люминесценции.

s х„, ус) - я/ 2fa.§ Caisafca S±E Uic d ItWl. (1)

4 лг Г + (х-Хо)Г + (у-УоГГ

где /ср, /о - поглощение на длине волны поглощения и люминесценции;

tj - квантовый выход люминесценции. На чертеже представлен вариант исполнения предложенного устройства.

Устройство содержит источник 1 когерентного излучения (лазер ЛГИ-21 или ЛЖИ-402), коллиматор, выполненный в виде соосно-конфокально расположенных линз 2, 3 с диафрагмой 4, размещенной в фокальной плоскости обеих линз; светоде- лительную пластинку 5, устройство б крепления образца, фильтр пространственных частот, образованный линзами 7-9 и диафрагмой 10, два фотоприемника 11, 12 и уст- ройство 13 регистрации и обработки сигналов. С целью упрощения процесса измерения излучения возбуждения представляет собой равномерный в поперечном сечении пучок аксиальной симметрии, а фотоприемник с пространственным фильтром фиксируется на выделение излучения окрестности точки пересечения поверхности образца и оси симметрии пучка возбуждающего излучения. В качестве фотоприемников 11, 2 применяют ФЭУ с максимальной чувс гвительностью в области люминесценции образца и возбуждающего излучения соогзетствекно

При эгом определение квантового вы- хода производится по Формуле, являющейся частным случаем формулы (1), т.е.

Ч ° tr- - { tlPz - к# ) fZ. . , ,„. f r, (i/- I - -Е- - , --r-f-с л drdz, (2)

4-l(z2.,, „l

где т, (вантоиый выход люминесценции;

RP - отрах ечме на длине волчы возбуждения,

Кр - ;ю-мо. де1 и.е на длине волны возбуждения;

Sc(r) - интенсивное, гь возбуждающего излучения;

/Сд- поглощение на длине волны люминесценции;

Z - толщина образца;

г дузметр nv iKa возбуждающего света, падающего нч образец.

Решение данного интеграла при условии 1 / Кр « Z

чоч. +

Ьг - 2-л U-h/c/ ., «i - ОЧП(1 %)J+d.

Р(КР+«Я) 4

где -3 -- функции гроизведения r0 /fp при уьел нгнии «pVMo , т.е.

( Ул)

S°(r)RP(4 + «-о кя- Р «;) Ш (1 + &))

Кл

Предложенные способ и устройство дня измерения квантового выхода основывают ся на произведенном теоретическом расчета и экспериментальном измерении яркости свечения поверхности люминесцирующего образца при учете поглощения на длине волны люминесценции.

Введение в устройство для измерения квантового выхода дополнительно фильтра пространственных частот, позволяющего проводить измерение яркости свечения поверхности образца в выбранной точке позволяет существенно повысить точность определения квантового выхода люминесценции, особенно в случае большого значения показателей поглощения.

Формула изобретения Способ определения абсолютного квантового выхода люминесценции, включающий облучение исследуемого образца пучком монохроматического излучения с заданными энергетическими характеристиками, измерение энергетических харак- теоисжк излучения люминесценции и опреце 1вние абсолютного квантового выхода по соотношению между характеристиками возбуждающего излучения и аоактористикчми излучения люминесценции, отличающийся тем, ч го, с целью повышения правильности результатов оп- рбцсл --ы за учета поглощения нэ длине волны .оминзсцаиции, образец облу-окк излучением с известным распределением мощности вдоль поостранст- венных координат X. Y, измеряют распределение яркости свечения образца на длине волны люминесценции вдоль координат X, Y и с учетом ве/ччин поглощения и ч,1 hje волны поглощения /ср и длине вол- и л люминесценции к рассчитывают абсолютный квантовый выход люминесценции по формуле

s (х,. j - И aasZfeflSP (-у - F+fe tJbataad.dydI.

4я{г2(с-х,)2+()2Г2

где - зыход люминесценции; 50 S(x, у),- интенсивность возбуждающего излучения;

S(x0, у о) - яркость образца на длине вол- нь люминесценции;

I - толщина образца, э оси X, Y, 2 обра- 55 зуют декзртсву систему координат.

S3

Изобретение относится к оптическим измерениям. Цель - повышение правильности. Образец облучают излучением с известным распределением мощности вдоль пространственных координат и измеряют яркость свечения вдоль тех же координат.