【摘要】：稀土離子摻雜材料的上轉(zhuǎn)換熒光現(xiàn)象由于能夠?qū)⒔t外波段轉(zhuǎn)化為可見波段,在信息處理、全固態(tài)激光器、三維顯示、光纖通訊、溫度傳感及生物醫(yī)療等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。但是當(dāng)前稀土離子的上轉(zhuǎn)換效率仍然較低,成為制約其發(fā)展的主要瓶頸。提高稀土離子的上轉(zhuǎn)換效率的有效方法之一就是提高入射光功率。但是,隨著入射光功率的提高,樣品表面及周圍環(huán)境的溫度會隨之發(fā)生變化,這將對溫度傳感帶來影響。基于此,本論文對稀土上轉(zhuǎn)換納米晶中的紅外激光誘導(dǎo)熱效應(yīng)及傳感特性進行了研究。首先,利用水熱合成法制備了不同濃度的Er~(3+)單摻雜、Yb~(3+)單摻雜和Er~(3+)/Yb~(3+)共摻NaYF_4納米晶體,利用X射線衍射儀對粉末樣品進行了測試,并對其物相進行了分析和確認(rèn);對樣品進行壓片處理后,利用光譜測試系統(tǒng)對不同樣品的上轉(zhuǎn)換熒光光譜在不同泵浦功率下進行了測試,對樣品的綠光輻射帶、紅光輻射帶、總體發(fā)光強度和紅綠光輻射帶的積分強度比(R/G)隨稀土離子摻雜濃度的變化進行了分析和研究,并通過CIE坐標(biāo)圖給出了樣品發(fā)射光譜顏色的變化情況;通過能級圖對所制備的樣品的上轉(zhuǎn)換機制進行了分析,給出了峰值中心波長處發(fā)光強度隨稀土離子摻雜濃度的變化曲線,并對其雙對數(shù)功率關(guān)系進行了分析和研究。其次,測試了不同濃度Er~(3+)單摻雜和Er~(3+)/Yb~(3+)共同摻雜NaYF_4納米晶體樣品在不同溫度下的上轉(zhuǎn)換熒光光譜,研究了紅光和綠光的積分強度隨溫度的變化;并對峰值中心波長(520 nm和539 nm)處熒光強度比(Fluorescence Intensity Ratio,FIR)隨溫度的變化進行了分析和研究,并通過計算繪制出不同樣品的測溫靈敏度S隨溫度的變化曲線;通過對不同樣品之間的最大靈敏度和最大靈敏度時的溫度進行對比,利用熒光強度比理論探討了Er~(3+)單摻雜和Er~(3+)/Yb~(3+)共同摻雜NaYF_4納米晶體在溫度傳感中的應(yīng)用。然后,利用多物理場耦合分析軟件(COMSOL Multiphysics)仿真計算了在激光照射到稀土摻雜氧化釔陶瓷表面時的溫度分布,并對樣品表面圓斑的中心峰值溫度隨激光功率的變化進行了仿真,得到表面峰值溫度與激光功率的變化規(guī)律,并與實驗結(jié)果進行了對比;在此基礎(chǔ)上,研究了紅外激光的熱效應(yīng)對稀土離子摻雜上轉(zhuǎn)換材料熒光過程的影響;利用COMSOL Multiphysics仿真計算了較高激光功率激發(fā)下,樣品表面溫度分布對熒光強度比技術(shù)的影響,進而得出修正后的熒光強度比測溫公式,提出了經(jīng)過改進的溫度傳感方案;在對參數(shù)標(biāo)定的基礎(chǔ)上,選取其中一種樣品進行了實驗測試,并分別通過常規(guī)方法和改進后的方法進行了計算和對比。結(jié)果表明新型的溫度傳感技術(shù)具有較高的信噪比。最后,利用修正后的熒光強度比公式,發(fā)現(xiàn)熒光強度比值FIR不僅與環(huán)境溫度有關(guān),還與入射的激光功率相關(guān),因此提出了一種新型的激光功率傳感技術(shù)。在測試了不同濃度樣品在不同激光功率下的熒光光譜后,研究了不同激光功率下520 nm和539 nm處FIR隨功率的變化,并對參數(shù)進行了標(biāo)定;在模擬實驗中考慮了激光光斑的大小、入射激光的波長、不同材料等因素對實驗的影響,發(fā)現(xiàn)此功率傳感技術(shù)具有較高的精度,不依賴于材料所處的復(fù)雜環(huán)境,在生物應(yīng)用領(lǐng)域具有較重大的價值。
【圖文】：

圖 1.2 弱耦合情況下無輻射躍遷幾率隨溫度的變化riation of non-radiative transition probability under different tecircumstance of weak coupling圖 1.3 弱耦合情況下無輻射躍遷幾率隨能級間距的變化ion of non-radiative transition probability under different energcircumstance of weak coupling

Y2O3材料為例，圖 1.2 和圖 1.3 分別給出了在電子-聲溫度和能級間距的變化規(guī)律�？梢钥吹剑�，弛豫幾率增加而減小。圖 1.2 弱耦合情況下無輻射躍遷幾率隨溫度的變化ariation of non-radiative transition probability under different tecircumstance of weak coupling
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN24

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本文編號：2689138