極寬溫區(qū)高精度熒光溫度計設(shè)計新策略

時間：2022/12/3閱讀：336

化學(xué)、物理及生物等眾多領(lǐng)域都需要精確控制和測量特定大小空間內(nèi)的。

面對測溫對象的不斷變小(光電子器件的小型化和高度集成化)和新的應(yīng)用領(lǐng)域要求(當(dāng)代納米醫(yī)療、精細化工等)，需要運用遠程溫度探測原理和技術(shù)。

基于鑭系熒光離子的熒光溫度探測是一門新興的技術(shù)。這一溫度探測技術(shù)不僅具有遠程無損探測的特點，同時探測信號具有很高的空間分辨率和時間分辨率，因此該技術(shù)具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

鑭系離子的熒光行為，包括熒光強度、波長和衰減等和該離子所處的環(huán)境相關(guān)，會根據(jù)所處環(huán)境的變化而改變。熒光溫度計正是利用熒光行為和局部溫度之間的相關(guān)性，以熒光行為(包括熒光強度、波長和衰減)的變化來測定局部溫度的技術(shù)。

傳統(tǒng)雙能級玻爾茲曼溫度測量的局限性
波爾茲曼型熒光溫度計是被廣泛研究和報道的一大類，該類熒光溫度計所使用的熒光離子具有兩個能量相近的熱耦合激發(fā)能級，如經(jīng)典的Er³⁺離子_²H11/2-⁴S_3/2能級間隔約為750-800cm^-1。兩個能級的布居狀態(tài)和發(fā)光中心離子所處的溫度相關(guān)，并且遵循波爾茲曼原理。該類溫度計測溫原理明確、技術(shù)簡單、無需參照物。但受限于波爾茲曼原理，這一雙激發(fā)態(tài)能級型熒光溫度測試僅能用于非常有限的溫度變化范圍：較低的環(huán)境溫度使兩個激發(fā)態(tài)能級間的熱平衡難以實現(xiàn)，較高的溫度雖有利于兩個激發(fā)態(tài)的熱平衡，但只能獲得較低的相對測溫靈敏度和精度。是否有方法可以繞過這種熱力學(xué)限制，在擴大溫度測量范圍的同時，還能獲得較高的測溫精度呢？

另一方面，除了熒光離子本身的熒光發(fā)射，物體會由于黑體輻射而不斷地向外輻射電磁波。黑體輻射強度會隨物體溫度的升高而增強，并且其電磁波波長也會隨著溫度的升高而向短波長方偏移。雖然黑體輻射的峰值波長在低溫(2000K以下)主要位于紅外區(qū)域，但其位于短波長區(qū)域的波尾也有可能對熒光溫度測量的激發(fā)和探測熒光特性產(chǎn)生干擾。此外，對大部分已報到的可見或近紅外熒光溫度測試，自然光也會成為探測熒光的背景干擾。

三激發(fā)態(tài)能級玻爾茲曼新模型與實驗例證
近日，來自上海理工大學(xué)“超精密光學(xué)制造團隊"張大偉教授、禹德朝教授聯(lián)合荷蘭烏特勒支大學(xué)、德國杜塞爾多夫海因里?！ずＤ髮W(xué)、華南理工大學(xué)和聊城大學(xué)將玻爾茲曼測溫的概念與技術(shù)原理擴展到兩個以上的激發(fā)態(tài)，建立和*三能級玻爾茲曼測溫模型與理論，并提供定量指南，將多個激發(fā)態(tài)之間的能隙選擇與不同溫度區(qū)間內(nèi)的激發(fā)態(tài)能級熱耦合聯(lián)系起來。通過這種設(shè)計策略，可以基于同一系統(tǒng)，實現(xiàn)極寬溫度范圍內(nèi)高靈敏度和高精度的非接觸式溫度測量。

三激發(fā)態(tài)能級玻爾茲曼型熒光溫度測量和Pr3+→Gd 3+藍光到紫外上轉(zhuǎn)換示意圖

三激發(fā)態(tài)能級玻爾茲曼型熒光溫度測量和Pr3+→Gd 3+藍光到紫外上轉(zhuǎn)換示意圖

圖1 三激發(fā)態(tài)能級玻爾茲曼型熒光溫度測量和Pr³⁺→Gd³⁺藍光到紫外上轉(zhuǎn)換示意圖

同時，科研人員選取釓離子(Gd³⁺)作為熒光發(fā)射中心，創(chuàng)造性地基于Gd³⁺⁶P_J(J=7/2，5/2，3/2)紫外能級以及其晶體場分裂能級和自旋軌道分裂能級來構(gòu)建三激發(fā)態(tài)能級熱耦合系統(tǒng)；并用燃燒法合成了YAl₃(BO₃)₄ :Pr³⁺ ，Gd³⁺發(fā)光粉，其在藍光~450nm作用下實現(xiàn)高效的Pr³⁺→Gd³⁺紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)光(覆蓋約290-320nm)，實驗例證了上述三能級玻爾茲曼溫度測試模型，實現(xiàn)了30K到800K極寬溫度變化范圍內(nèi)的精確測量：在30K時，其相對靈敏度高達11.6% K^-1，全溫度范圍高于0.5%K^-1；同時在所有溫區(qū)窗口，都可實現(xiàn)不確定性小于0.1%的高精度溫度測量。

Gd3+6PJ多級熒光玻爾茲曼溫度測量特性及其寬溫區(qū)間的性能評估

圖2 Gd³⁺⁶P_J多級熒光玻爾茲曼溫度測量特性及其寬溫區(qū)間的性能評估

需特別指出的是，這種藍光→紫外上轉(zhuǎn)換熒光粉材料很容易被價格低廉且功率*的450nm藍色LED激發(fā)，有利于降低成本，并為應(yīng)用帶來便利；其激發(fā)和發(fā)射波段可有效避免溫度下黑體輻射影響，實現(xiàn)了零背景發(fā)光測溫，在納米醫(yī)療、新型光電子器件等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用價值。
撰稿：禹德朝、李懷勇

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