稀土光学材料的荧光及其测温特性研究

发布时间：2020-09-01 08:56

　　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CaWO_4:Nd~(3+)/Yb~(3+)荧光粉。在980 nm激光激发下,通过Li~+离子的掺杂,增强了Nd~(3+)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Nd~(3+)近红外荧光的测温特性进行了研究。通过Nd~(3+)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Nd~(3+)离子中三对热耦合能级的温度传感特性,并探索了Nd~(3+)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Er~(3+)/Yb~(3+)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Er~(3+)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Er~(3+)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(WO_4)_2:Yb~(3+)/Er~(3+)荧光粉样品,以1064 nm激光为泵浦光源,分析了Er~(3+)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。
【学位单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ422;TN249
【部分图文】：

稀土离子,能级结构

燕山大学工学硕士学位论文各种波段的光谱。理论上说，在这些能级中可能发生跃迁的数目多大二十万个，并且可以吸收从紫外光到红外光区域的各种辐射，因此可以说稀土离子具有极大的应用价值以待开发。

谱图,XRD谱,标准卡,离子

3+结构及形貌特征的影响图3-1(a)显示的是掺杂不同浓度 Li+离子的钨酸盐样品的 X射线衍射谱图(XRD)，从图中可以看出，与 CaWO4的 PDF 标准卡对比，掺杂 Li+离子样品的各衍射峰与标准卡相吻合，且没有其他明显的衍射峰被检测到。由此可以推断，Li+离子及稀土离子的掺入并没有引起钨酸钙结构的变化，而是通过替代或进入晶格间隙的方式掺入CaWO4晶格中，没有单独成相。图 3-1 不同浓度 Li+掺杂 CaWO4:Nd3+/Yb3+的 XRD 谱图另外，由于 Li+离子(~0.92 )与 Ca2+离子(~1.12 )半径的不同

谱图,谱图

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步影响其发光特性。图 3-2 则显示了掺杂 0 mol% Li+离子和 10 mol% Li+离子的 SEM谱图，从图中可以得知，随着 Li+离子的掺入，样品的粒径逐渐变大，平均尺寸也从3 μm 增长至 6 μm，同时样品的结晶度也随之提高，从不规则的团聚型、无规则块状逐渐向分散型、有规则结构的粒状转变。可以说明，Li+离子有利于 CaWO4粒径的增大，并且在一定程度上可以影响 CaWO4结晶的程度，更容易造成大晶体的形成。

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