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基于荧光强度比掺铒氧化钇的温度特性

作　者: 闫瑞刚
导　师: 宋瑛林
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 光学
关键词: 温度传感荧光强度比单能级上转换
分类号: TP212.11
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

光学温度传感器在温度测量等领域已经得到了广泛应用,特别是采用荧光强度比（FIR）技术进行测温。基于荧光强度比技术的光学温度传感器通过测量与温度相关的不同特定发光能级发射的荧光强度的比值来表征温度,可以很好的克服一些因素的干扰,显著提高测量灵敏度,从而提高测量的准确性。另外由于这种温度传感器一般采用稀土掺杂光纤作为传感介质,这样就可以避免含电系统单元在危险地带出现,因此,它非常适合于特定环境下的温度测量。本文采用溶胶-凝胶（Sol-gel）法制备了掺Er³⁺和Li⁺/Er³⁺共掺Y₂O₃的粉末样品,对其进行了荧光分析,并在压片后分别采用单能级荧光和双能级荧光比两种方法实现测温。首先用X射线衍射（XRD）研究了Li⁺离子的掺杂浓度对样品颗粒形貌的影响,发现Li⁺离子只是影响样品颗粒的直径大小。又采用荧光光谱检测研究了Li⁺离子的掺杂浓度对样品上转换发光特性的影响,发现红绿波段的上转换荧光先是随着Li⁺离子浓度的增加而增强,在Li⁺离子浓度为3 mol%时达到最强,之后出现微降。通过分析,揭示了掺Er³⁺和Li⁺/Er³⁺共掺杂Y₂O₃体系的上转换发光机制,在低功率时,绿色和红色上转换发光均为双光子上转换吸收过程,但到了高功率则为四光子过程。其次先分析各能级的温度特性,再采用荧光强度比（FIR）技术,对不同峰位比、不同Li⁺掺杂浓度以及不同激发功率下,2 mol%Er³⁺/Li⁺共掺Y₂O₃样品作为温度传感器组元时的荧光强度比的温度特性做了比较细致的分析,最终发现当选用522 nm和549 nm这两个峰位的比值,3 mol%Li⁺离子的掺杂浓度,用190 mW激发功率时,最大灵敏度最高,达到0.0063 K-1,相应的工作温度为543 K。这样就既能实现较高的发光效率,较高的工作温度,又能实现较高的灵敏度,更重要的是,这样的灵敏度比其他类似报道的最大灵敏度要有提高,于是就可以以这种材料,这个参数来制备光学温度传感器组件。最后根据单能级测温理论,对不同功率下2 mol%Er³⁺/3 mol%Li⁺共掺Y₂O₃样品在661nm的荧光强度的温度特性做了实验以及数据拟合,发现当激发功率上升时,灵敏度也在提高,变化很大,但是在60-120 mW这一大范围频率波段内,拟合参数变化不大,灵敏度也比较稳定,那么就可以用2 mol%Er³⁺/3 mol%Li⁺共掺Y₂O₃片状样品制备温度传感器,并使激光器的功率稳定到这个范围内,来实现单能级测温。研究表明Li⁺/Er³⁺共掺Y₂O₃不但能用于单能级测温,而且也能用于双能级测温,在光学温度传感方面具有很大的潜在应用。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-19
  1.1 研究背景  10-11
  1.2 稀土发光材料  11
  1.3 上转换发光  11-12
  1.4 上转换发光机制  12-16
    1.4.1 激发态吸收  13
    1.4.2 能量传递  13-15
    1.4.3 光子雪崩  15-16
  1.5 溶胶-凝胶法  16
  1.6 国内外研究进展  16-17
  1.7 研究的目的和意义  17-18
  1.8 本论文的研究内容  18-19
第2章 Li~+/Er~(3+)共掺Y_2O_3上转换的发光特性  19-27
  2.1 概述  19
  2.2 样品的制备  19-20
  2.3 实验装置  20-21
  2.4 样品形貌  21-22
  2.5 Li~+浓度对Y_2O_3:Er~(3+)上转换发光的影响  22-23
  2.6 发光机制的分析  23-26
  2.7 本章小结  26-27
第3章基于荧光强度比Er~(3+)/Li~+共掺Y_2O_3材料的温度特性  27-44
  3.1 概述  27-28
  3.2 FIR技术  28-30
    3.2.1 FIR原理简介  28-30
    3.2.2 FIR材料的选择  30
  3.3 实验装置  30-31
  3.4 随温度变化的Y_2O_3:Er~(3+)/Li~+荧光光谱  31-32
  3.5 峰位对灵敏度的影响  32-35
  3.6 Li~+对灵敏度的影响  35-38
  3.7 功率对灵敏度的影响  38-43
  3.8 本章小节  43-44
第4章基于单能级荧光强度Er~(3+)/Li~+共掺Y_2O_3材料的温度特性  44-53
  4.1 概述  44
  4.2 单能级测温原理简介  44-46
  4.3 单能级的温度特性  46-47
  4.4 单能级强度随功率的变化  47-51
  4.5 基于单能级和荧光强度比技术测温的性能比较  51-52
  4.6 本章小结  52-53
结论  53-55
参考文献  55-59
攻读学位期间发表的学术论文  59-61
致谢  61

基于荧光强度比掺铒氧化钇的温度特性

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