稀土光学材料的荧光及其测温特性研究

论文摘要

稀土掺杂光学材料由于其优越的光、电、磁特性,在石油化工、电力工业、荧光检测及三维显示等方面具有重要的应用价值,成为国内外研究的热点。尤其在近些年,基于稀土荧光的测温技术以其精度高、灵敏度高、响应迅速等特点,受到了人们的关注。但是,依托稀土发光材料的温度传感技术仍存在诸多问题亟待解决,包括发光效率较低、激光热效应干扰严重及光谱重叠明显,极大地限制了稀土荧光测温技术的发展。本文以稀土离子掺杂的发光材料为研究对象,对以上问题展开了研究。利用高温固相法制备了CaWO4:Nd3+/Yb3+荧光粉。在980 nm激光激发下,通过Li+离子的掺杂,增强了Nd3+离子近红外荧光辐射。研究表明,Li+离子的掺入可以改善基质的结晶度;同时还可以引起基质晶格结构的畸变,从而改善稀土离子周围的晶场环境,对近红外荧光辐射的增强起到重要作用。另外,对Nd3+近红外荧光的测温特性进行了研究。通过Nd3+离子近红外荧光的温度依赖性实验,观察到在Li+离子的辅助下,近红外荧光强度随温度的升高得到进一步的增强。此外还研究了Nd3+离子中三对热耦合能级的温度传感特性,并探索了Nd3+离子中一对新热耦合能级的测温性能,研究显示新热耦合能级具有较高的测温精度及灵敏度。通过熔融淬火法制备了Er3+/Yb3+共掺的微晶玻璃。在980 nm和1064 nm激光激发下,利用荧光强度比技术对Er3+离子绿色上转换荧光进行了对比研究,分析了两者的上转换发光机制,并通过改变功率,讨论了该荧光带的温度传感特性。研究显示,以980 nm激光为泵浦光源的共振激发过程,在功率增大时,促进了热效应的产生,使测量参数的校准过程与功率之间产生依赖关系,因而当功率发生变化时,测温的稳定性受到影响;而以1064 nm激光为泵浦光源的非共振激发过程,可以通过声子辅助的反斯托克斯激发机制湮灭声子,有效避免热效应带来的影响。最后通过速率方程,结合荧光时间分辨曲线,对以上机制进行了验证。结果显示,在1064 nm激光激发下,可以有效避免热效应的影响,增强了Er3+离子绿色上转换光的测温稳定性。通过高温固相法制备了NaY（WO4）2:Yb3+/Er3+荧光粉样品,以1064 nm激光为泵浦光源,分析了Er3+离子在1530 nm波段近红外荧光的发光特性及温度依赖关系,可以发现该波段的发光强度随着温度的升高而增强。同时以激光为参考光,荧光为信号光,结合速率方程,研究了该体系的测温特性。结果显示,声子辅助的激发过程为该发光体系的主要机制,并且通过对光谱的设计,可以有效避免光谱重叠带来的测量误差。在323 K-773 K温度范围内,其测温灵敏度在323 K时最大,其最大灵敏度为16.3×10-33 K-1。由于1530 nm波段在光纤内损耗系数小,因此光输出特性较好,可以将其用于光纤温度传感器中的感温介质。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题研究背景
•   1.2 稀土光学材料简介
•     1.2.1 稀土元素电子结构
•     1.2.2 稀土光学材料光致荧光的物理机制
•     1.2.3 稀土光学材料基质选取
•   1.3 稀土离子光学测温研究现状
•   1.4 本文主要研究内容
• 第2章 稀土掺杂发光材料的制备及表征
•   2.1 实验药品及实验仪器
•   2.2 样品制备方法及制备流程
• +掺杂的CaWO₄:Nd³⁺/Yb³⁺样品的制备'>    2.2.1 Li⁺掺杂的CaWO₄:Nd³⁺/Yb³⁺样品的制备
• 3+/Yb³⁺共掺微晶玻璃样品的制备'>    2.2.2 Er³⁺/Yb³⁺共掺微晶玻璃样品的制备
• 4）2:Yb³⁺/Er³⁺荧光粉的制备'>    2.2.3 NaY（WO₄）2:Yb³⁺/Er³⁺荧光粉的制备
•   2.3 样品的表征
•     2.3.1 X射线衍射分析
•     2.3.2 SEM衍射图谱分析
•     2.3.3 荧光光谱的采集
•     2.3.4 时间分辨光谱采集
•     2.3.5 荧光温度谱采集
•   2.4 本章小结
• 4:Nd³⁺/Yb³⁺荧光粉的近红外荧光增强设计及温度传感研究'>第3章 基于CaWO₄:Nd³⁺/Yb³⁺荧光粉的近红外荧光增强设计及温度传感研究
• +掺杂对CaWO₄:Nd³⁺/Yb³⁺结构及形貌特征的影响'>  3.1 Li⁺掺杂对CaWO₄:Nd³⁺/Yb³⁺结构及形貌特征的影响
• +掺杂对CaWO₄:Nd³⁺/Yb³⁺近红外荧光特性的影响'>  3.2 Li⁺掺杂对CaWO₄:Nd³⁺/Yb³⁺近红外荧光特性的影响
• +掺杂对CaWO₄:Nd³⁺/Yb³⁺近红外荧光温度特性的影响'>  3.3 Li⁺掺杂对CaWO₄:Nd³⁺/Yb³⁺近红外荧光温度特性的影响
•   3.4 本章小结
• 3+/Yb³⁺共掺微晶玻璃的反斯托克斯荧光设计及温度传感研究'>第4章 基于Er³⁺/Yb³⁺共掺微晶玻璃的反斯托克斯荧光设计及温度传感研究
•   4.1 基于980 nm激光共振激发上转换荧光特性的研究
• 3+/Yb³⁺微晶玻璃上转换荧光光谱的影响'>    4.1.1 温度对Er³⁺/Yb³⁺微晶玻璃上转换荧光光谱的影响
• 3+/Yb³⁺微晶玻璃上转换荧光温度特性的影响'>    4.1.2 不同激发功率对Er³⁺/Yb³⁺微晶玻璃上转换荧光温度特性的影响
•   4.2 基于1064 nm激光非共振激发上转换荧光特性的研究
• 3+/Yb³⁺微晶玻璃上转换荧光光谱的影响'>    4.2.1 温度对Er³⁺/Yb³⁺微晶玻璃上转换荧光光谱的影响
• 3+/Yb³⁺微晶玻璃上转换荧光温度特性的影响'>    4.2.2 不同激发功率对Er³⁺/Yb³⁺微晶玻璃上转换荧光温度特性的影响
•   4.3 本章小结
• 4）2:Yb³⁺/Er³⁺的温度传感研究'>第5章 基于NaY（WO₄）2:Yb³⁺/Er³⁺的温度传感研究
• 4）2:Yb³⁺/Er³⁺荧光粉的形貌特征'>  5.1 NaY（WO₄）2:Yb³⁺/Er³⁺荧光粉的形貌特征
• 4）2:Yb³⁺/Er³⁺发光特性的研究'>  5.2 NaY（WO₄）2:Yb³⁺/Er³⁺发光特性的研究
• 4）2:Yb³⁺/Er³⁺近红外荧光温度特性的研究'>  5.3 NaY（WO₄）2:Yb³⁺/Er³⁺近红外荧光温度特性的研究
•   5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 胡玉伟

导师: 徐伟

关键词: 稀土离子,发光材料,光致荧光,能量传递,荧光测温

来源: 燕山大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,有机化工,无线电电子学

单位: 燕山大学

分类号: TQ422;TN249

DOI: 10.27440/d.cnki.gysdu.2019.001479

总页数: 68

文件大小: 3682K

下载量: 126