【摘要】：稀土離子摻雜材料的上轉換熒光現(xiàn)象由于能夠將近紅外波段轉化為可見波段,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)療等領域具有重要的應用價值。但是當前稀土離子的上轉換效率仍然較低,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�；诖�,本論文對稀土上轉換納米晶中的紅外激光誘導熱效應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;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,并對其雙對數功率關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,并與實驗結果進行了對比;在此基礎上,研究了紅外激光的熱效應對稀土離子摻雜上轉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的影響,進而得出修正后的熒光強度比測溫公式,提出了經過改進的溫度傳感方案;在對參數標定的基礎上,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。結果表明新型的溫度傳感技術具有較高的信噪比。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,還與入射的激光功率相關,因此提出了一種新型的激光功率傳感技術。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,并對參數進行了標定;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)此功率傳感技術具有較高的精度,不依賴于材料所處的復雜環(huán)境,在生物應用領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�，，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
【學位授予單位】：哈爾濱工程大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN24

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