ZrO2:Er3+/By3+、Tm3+/Yb3+纳米晶荧光强度比及近红外荧光强度测温研究

摘要

温度的测量在人们的生活、生产、科学实验及工程控制等各个领域都是至关重要的。目前常用的温度测量仪器种类繁多，在现场要根据测温所需的量程、范围及精度等具体指标要求选用基于不同测温原理的传感器。在光学温度传感器中，基于荧光强度比原理的测温方法由于具有极强的抗激发功率噪声以及抗信号传输通道传光不稳定的能力而受到极大的关注。基于荧光强度的测温方法具有受外界干扰大且线性度较差等缺点，近十几年间已无人问津。但我们发现铥掺杂材料却具有近乎理想线性特性的荧光强度测温性能。
　　 结合对光子过程的分析及稀土离子能级的匹配情况，分析了用燃烧法制备的Er3+/Yb3+、Tm3+/Yb3+共掺ZrO2纳晶样品在972nm激光二极管(LD)激发下的上转换荧光发射机理。测试了ZrO2：Er3+/Yb3+纳晶样品绿光强度随温度的变化关系，并解释了绿光不同峰位对温度的不同依赖规律。通过对数据的统计处理，得到了不同荧光峰位强度比随温度变化的具体关系式，并给出了测温灵敏度的表达式。发现用525nm与561nm两个绿光峰位的强度比测温性能最佳。其强度比值随温度变化最敏感，且对应的灵敏度最高。最大灵敏度指标较已报导的Er3+激活的各种基质材料的都要高。还测试了样品测温灵敏度与激发功率的依赖关系。发现在较高的激发功率下，实验数据的规律性好，并且最大灵敏度随激发功率升高而变大，而高温时对应的灵敏度却变小。
　　 基于荧光强度比法测温的掺杂离子大多集中在Er3+、Nd3+、Yb3+等稀土离子，我们首次提出用Tm3+掺杂离子基于荧光强度比法测量温度。测量了ZrO2：Tm3+/Yb3+纳晶样品蓝光波段光谱随温度的变化关系。通过对数据的统计处理，得到不同荧光峰位强度比随温度变化的关系式，并且给出测温灵敏度的表达式。发现474nm与500nm两个蓝光峰位的强度比值最大并且测温灵敏度最高。最大灵敏度远高于已报导的Er3+激活的各种基质材料的灵敏度。还对测温灵敏度与激发功率的依赖关系进行了研究，发现灵敏度随着激发功率的升高而变大。还研究了Tm3+/Yb3+共掺ZrO2纳晶样品红光波段的强度比测温性能。
　　 发现Tm3+/Yb3+共掺ZrO2纳晶样品具有极好的近红外荧光强度测温性能。在大的功率密度激发下，荧光强度随温度的升高呈现极佳的线性衰减特性。给出了在一定的激发功率密度下荧光强度与温度的定量关系式。因符合线性衰减规律，其测温灵敏度为常数。