基于量子点薄膜和光子晶体光纤的温度传感器特性研究

发布时间：2017-04-16 04:04

  本文关键词：基于量子点薄膜和光子晶体光纤的温度传感器特性研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：温度传感器大范围应用于日常生活、农业生产和航空航天等许多领域。常见的温度传感器主要包括:热电偶、热电阻和红外传感器等。虽然这些温度传感器价格低廉、结构简易、技术成熟,但是因为主要采取电流感应的方式,存在一定的安全隐患,不符合许多高危领域的要求。而量子点薄膜和掺量子点光子晶体光纤,通过利用量子点光致发光谱的峰值波长、峰值强度和半高全宽等多光学参量的温变效应,可进行同时测温。因此,本论文研究的基于量子点薄膜和光子晶体光纤的温度传感器具有抗电磁干扰,测温准确度高、分辨率高、动态响应好和测量范围广等优点,可用于极端条件下的温度测量,具有较强的应用前景。本文的具体研究内容如下:(1)基于有限元法,首次设计了一种含Cd Se/ZnS量子点薄膜结构的光子晶体光纤,分析了具有CdSe/ZnS量子点薄膜光子晶体光纤的色散及损耗特性。结果表明,含CdSe/ZnS量子点薄膜结构的光子晶体光纤在x和y方向均存在基模。当泵浦光波长逐渐增加时,对于具有CdSe/ZnS量子点薄膜的光子晶体光纤,x和y方向的总色散先增大后减小且存在两个零色散点,损耗逐渐增大并在可见光波段趋近于零。后采用选择性镀膜方式进行优化设计,发现可以大大减少限制损耗。这说明在实验中通过掺杂cdse/zns量子点薄膜和选择合适的泵浦光波长,可有效控制光子晶体光纤的色散和损耗。(2)根据cdse/zns核壳量子点光致发光谱的三个光学参量—峰值波长、峰值强度和半高全宽—与温度变化之间的相关理论,结合光子晶体光纤的优点,设计了一种基于量子点光子晶体光纤的多参量荧光温度传感器,研究了掺cdse/zns量子点光子晶体光纤的光致发光谱(photoluminescence,pl)的峰值强度、峰值波长、量子点带隙、半高全宽和自参考光谱强度等多种参量的温变特性。实验结果表明,在30-100°c温度变化范围内,掺cdse/zns量子点光子晶体光纤的发射光谱强度随着温度的增加而逐渐减小,而pl谱的峰值波长和半高全宽随着温度的增加而增加。进一步研究发现,量子点pcf光纤发射的pl谱峰值波长、自参考光谱强度和量子点带隙与温度均成线性变化关系,但它的半高全宽与温度成二次曲线关系,峰值强度与温度按指数规律变化,所得到的测量结果与理论分析相一致。最后根据峰值波长随温度升高产生的红移量,通过拟合得到的掺量子点pcf光纤温度传感器灵敏度达到0.062nm/°c。(3)设计并开发了一种基于双粒度cdse/zns掺杂量子点薄膜的反射式荧光温度传感器,该传感器以发射波长分别为540nm和610nm的双粒度cdse/zns掺杂量子点薄膜为核心器件,并以嵌入反射式传感头形式搭建了一整套薄膜型温度传感系统。采用分析掺cdse/zns量子点光子晶体光纤发射谱温变特性的方法,研究了双粒度CdSe/ZnS量子点薄膜光致发光光谱的光谱强度、峰值波长、量子点带隙、半高全宽、峰值强度、自参考峰值强度等多种参量的温变特性。实验结果显示,利用双粒度Cd Se/ZnS掺杂量子点薄膜,可以获得了包含双峰的带宽为约150nm的宽带光谱。当温度在30-100℃的范围内变化时,该宽带荧光光谱强度也随着温度的增加而逐渐减小;双峰的峰值波长、量子点带隙和自参考峰值强度与温度之间也满足线性变化,半高全和峰值强度的温度变化特性与量子点PCF光纤发射谱的温度变化方式类似;另外证明了双峰自参考光谱强度在升温与降温的过程中具有较好的稳定性;该温度传感器的平均灵敏度最后达到0.055 nm/℃。
【关键词】：CdSe/ZnS量子点 光子晶体光纤 温度传感器 峰值强度 峰值波长 半高全宽
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN253;TP212.11
【目录】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 研究背景及意义12
• 1.2 量子点温度传感器研究现状12-13
• 1.3 量子点概述13-18
• 1.3.1 量子点定义13-14
• 1.3.2 量子点的类型和结构14-15
• 1.3.2.1 量子点的类型14
• 1.3.2.2 量子点的结构14-15
• 1.3.3 量子效应15-16
• 1.3.3.1 量子尺寸效应15
• 1.3.3.2 表面效应15-16
• 1.3.3.3 宏观量子隧道效应16
• 1.3.3.4 库伦阻塞效应16
• 1.3.4 量子点的应用16-18
• 1.3.4.1 量子点显示技术16-17
• 1.3.4.2 量子点荧光标记技术17
• 1.3.4.3 量子点太阳能电池技术17-18
• 1.4 本文的研究内容18-20
• 第二章 量子点的发光原理20-24
• 2.1 量子点中的电子能级跃迁20-21
• 2.2 激子态发光21
• 2.3 表面态发光21-22
• 2.4 杂质能级发光22
• 2.5 量子点发光和激发光功率的关系22-23
• 2.6 本章小结23-24
• 第三章 量子点发射谱的温变效应理论研究24-29
• 3.1 量子点发射谱峰值波长与温度变化之间的关系24-26
• 3.2 量子点发射谱峰值强度与温度变化之间的关系26-28
• 3.3 量子点发射谱半高全宽与温度变化之间的关系28
• 3.4 本章小结28-29
• 第四章 掺CdSe/ZnS量子点光子晶体光纤的设计及其特性分析29-44
• 4.1 光子晶体光纤简介29-30
• 4.2 有限元法理论30-31
• 4.3 量子点光子晶体光纤的色散和损耗分析31-40
• 4.3.1 具有CdSe/ZnS量子点薄膜光子晶体光纤的设计31-33
• 4.3.2 色散与损耗特性分析33-40
• 4.3.2.1 色散与损耗的理论简介33-34
• 4.3.2.2 具有量子点薄膜厚度的PCF色散与损耗特性分析34-37
• 4.3.2.3 改进与优化37-40
• 4.4 光子晶体光纤图像处理40-42
• 4.5 本章小结42-44
• 第五章 基于掺CdSe/ZnS量子点光子晶体光纤的荧光温度传感特性研究44-55
• 5.1 量子点光子晶体光纤的制备44-46
• 5.1.1 CdSe/ZnS量子点的选取44-45
• 5.1.2 光子晶体光纤的选取45
• 5.1.3 量子点光子晶体光纤的制备过程45-46
• 5.2 量子点光子晶体光纤温度传感实验及分析46-54
• 5.2.1 基于量子点光子晶体光纤的多参量荧光温度传感器实验搭建46-48
• 5.2.2 量子点光子晶体光纤温度传感器实验结果分析48-54
• 5.3 本章小结54-55
• 第六章 基于双粒度CdSe/ZnS掺杂量子点薄膜的荧光温度传感特性研究55-62
• 6.1 量子点薄膜的制备和量子点传感头的设计55-56
• 6.2 量子点薄膜的温度传感实验及分析56-61
• 6.2.1 量子点薄膜的温度传感实验56-57
• 6.2.2 量子点薄膜的温度传感实验结果与分析57-61
• 6.3 本章小结61-62
• 第七章 结论与展望62-64
• 7.1 结论62-63
• 7.2 展望63-64
• 参考文献64-68
• 致谢68-69
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果69

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本文编号：309940