铒离子掺杂镓酸盐晶体温度传感器的实验研究

发布时间：2020-07-18 17:32

【摘要】：近年来,基于荧光强度比技术的光学温度传感器在工业生产、生物医学、科学研究等领域体现出潜在的应用价值。荧光强度比型光学温度传感器基于相邻热耦合能级上荧光强度比值大小随温度变化的原理以实现温度测量。这种方法不受泵浦光源、外界环境波动以及探测器件的影响,能实现高精度的温度测量。光学温度传感器的传感性能不仅与稀土离子的种类有关,基质材料和泵浦光源的选择也是至关重要的。本文以镓酸盐晶体Gd_3Ga_5O_(12)和SrGdGa_3O_7作为基质材料,Er~(3+)作为稀土掺杂离子,选择980nm LD、488nm氙灯、384nm LED三种光源作为泵浦光源,对光学温度传感器的温度传感特性展开了深入研究。研究了基于Er:Gd_3Ga_5O_(12)镓酸盐晶体在上转换光源980nm LD激发下的光学温度传感器特性。利用光电池装置采集该晶体表面产生的绿色荧光,拟合荧光强度比在半对数坐标下随温度(300K-383K)的变化情况;分析光学温度传感器的信噪比、相对灵敏度和温度测量误差等性能参数;相对灵敏度在生理温度310K处达到10.8×10~(-3)K~(-1),测量误差处于-1.2K~1.8K范围内,且信噪比较好;利用传统的光谱仪采集装置验证了光电池装置结果的可靠性,将镓酸盐晶体Gd_3Ga_5O_(12)应用在温度传感领域,并证明了该晶体具有很好的应用前景。研究了基于Er:SrGdGa_3O_7镓酸盐晶体在上转换光源980nm LD泵浦下的温度传感器特性。利用光电池采集装置对SrGdGa_3O_7晶体光学温度传感系统的信噪比、相对灵敏度和温度测量误差等性能参数进行表征,并用传统光谱仪采集装置验证光电池采集装置结果的可靠性。将SrGdGa_3O_7镓酸盐晶体应用在温度传感领域,并证明该晶体在温度传感领域具有很好的应用前景。研究了基于Er:SrGdGa_3O_7镓酸盐晶体在下转换光源488nm氙灯和384nm LED激发下的光学温度传感器特性。测量了Er~(3+)掺杂SrGdGa_3O_7晶体的吸收光谱,根据吸收峰位置及强度,选择488nm氙灯和384nm LED作为光学温度传感器的泵浦光源;对比分析了Er~(3+)掺杂SrGdGa_3O_7晶体的上转换发光和下转换发光机制。综合SrGdGa_3O_7晶体分别在三种光源激发下温度传感器的温度传感特性、成本费用、和结构紧凑性等因素,提出了下转换光源384nm LED应用在温度传感系统中具有极大优势。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212.11;O734
【图文】：

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图 1-1 生长完成的 Er:Gd3Ga5O12晶体体rGdGa3O7为镓酸盐的一种，空间群为p[35-38]。SrGdGa3O7晶体中，稀土掺杂离子，由于化合价和离子半径等方面差异使吸收光谱和发射光谱非均匀加宽，有，是一种非常有前景的激光晶体[39-40]。温度传感领域，主要原因如下：的声子能量（约为 680cm-1），进而激发使其辐射跃迁几率较大，发光强度得以）能级上 Er3+具有较长的辐射寿命，有较好的热传导性，将其应用在温度传感

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第 2 章 Gd3Ga5O12晶体材料上转换发光的光学温度传感器Gd3Ga5O12晶体的光谱及能级分析晶体（Gd3Ga5O12）属于立方晶系，晶体空间群为Oh10Iaa5O12晶体样品中 Er3+的掺杂浓度为 11.1%，换算成格位浓s/cm3；晶体尺寸为 7mm×5mm×1.2mm，晶体样品表面均

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且距 530nm 和 550nm 绿色荧光都具有较远的范围，会对荧光的采集造成影响，因此，采用 488nm 氙灯和 384nm LE光学温度传感系统的激发光源。488nm 氙灯和 384nm LED 作为温发光源，实质则为下转换发光过程，此过程为单光子跃迁；D 激发的上转换发光过程，很大程度提高了发光样品的荧光转化接影响到温度传感器的信噪比。接下来将对由 488nm 氙灯和 384发 Er3+掺杂 SrGdGa3O7晶体的光学温度传感器测温性能展开深入r:SrGdGa3O7晶体的光谱及能级分析:SrGdGa3O7晶体样品由提拉法生长而成，晶体样品中 Er3+的掺杂换算成格位浓度为：3.5×1020ions/cm3，样品表面均经过光学抛光采用样品的尺寸参数为 22mm×14mm×3.58mm，晶体光轴方宽度方向。

【参考文献】