極寬溫區(qū)高精度熒光溫度計(jì)設(shè)計(jì)新策略

來源：云南昌暉儀表制造有限公司 2022年12月03日 08:24

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

面對(duì)測(cè)溫對(duì)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(xì)化工等)，需要運(yùn)用遠(yuǎn)程溫度探測(cè)原理和技術(shù)。

基于鑭系熒光離子的熒光溫度探測(cè)是一門新興的技術(shù)。這一溫度探測(cè)技術(shù)不僅具有遠(yuǎn)程無損探測(cè)的特點(diǎn)，同時(shí)探測(cè)信號(hào)具有很高的空間分辨率和時(shí)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(qiáng)度、波長(zhǎng)和衰減等和該離子所處的環(huán)境相關(guān)，會(huì)根據(jù)所處環(huán)境的變化而改變。熒光溫度計(jì)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(qiáng)度、波長(zhǎng)和衰減)的變化來測(cè)定局部溫度的技術(shù)。

傳統(tǒng)雙能級(jí)玻爾茲曼溫度測(cè)量的局限性
波爾茲曼型熒光溫度計(jì)是被廣泛研究和報(bào)道的一大類，該類熒光溫度計(jì)所使用的熒光離子具有兩個(gè)能量相近的熱耦合激發(fā)能級(jí)，如經(jīng)典的Er³⁺離子_²H11/2-⁴S_3/2能級(jí)間隔約為750-800cm^-1。兩個(gè)能級(jí)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(jì)測(cè)溫原理明確、技術(shù)簡(jiǎn)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(jí)型熒光溫度測(cè)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(gè)激發(fā)態(tài)能級(jí)間的熱平衡難以實(shí)現(xiàn)，較高的溫度雖有利于兩個(gè)激發(fā)態(tài)的熱平衡，但只能獲得較低的相對(duì)測(cè)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(kuò)大溫度測(cè)量范圍的同時(shí)，還能獲得較高的測(cè)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(huì)由于黑體輻射而不斷地向外輻射電磁波。黑體輻射強(qiáng)度會(huì)隨物體溫度的升高而增強(qiáng)，并且其電磁波波長(zhǎng)也會(huì)隨著溫度的升高而向短波長(zhǎng)方偏移。雖然黑體輻射的峰值波長(zhǎng)在低溫(2000K以下)主要位于紅外區(qū)域，但其位于短波長(zhǎng)區(qū)域的波尾也有可能對(duì)熒光溫度測(cè)量的激發(fā)和探測(cè)熒光特性產(chǎn)生干擾。此外，對(duì)大部分已報(bào)到的可見或近紅外熒光溫度測(cè)試，自然光也會(huì)成為探測(cè)熒光的背景干擾。

三激發(fā)態(tài)能級(jí)玻爾茲曼新模型與實(shí)驗(yàn)例證
近日，來自上海理工大學(xué)“超精密光學(xué)制造團(tuán)隊(duì)”張大偉教授、禹德朝教授聯(lián)合荷蘭烏特勒支大學(xué)、德國(guó)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(cè)溫的概念與技術(shù)原理擴(kuò)展到兩個(gè)以上的激發(fā)態(tài)，建立和完善三能級(jí)玻爾茲曼測(cè)溫模型與理論，并提供定量指南，將多個(gè)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(jí)熱耦合聯(lián)系起來。通過這種設(shè)計(jì)策略，可以基于同一系統(tǒng)，實(shí)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(cè)量。

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

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

同時(shí)，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(jí)以及其晶體場(chǎng)分裂能級(jí)和自旋軌道分裂能級(jí)來構(gòu)建三激發(fā)態(tài)能級(jí)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(lán)光~450nm作用下實(shí)現(xiàn)高效的Pr³⁺→Gd³⁺紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)光(覆蓋約290-320nm)，實(shí)驗(yàn)例證了上述三能級(jí)玻爾茲曼溫度測(cè)試模型，實(shí)現(xiàn)了30K到800K極寬溫度變化范圍內(nèi)的精確測(cè)量：在30K時(shí)，其相對(duì)靈敏度高達(dá)11.6% K^-1，全溫度范圍高于0.5%K^-1；同時(shí)在所有溫區(qū)窗口，都可實(shí)現(xiàn)不確定性小于0.1%的高精度溫度測(cè)量。

Gd3+6PJ多級(jí)熒光玻爾茲曼溫度測(cè)量特性及其寬溫區(qū)間的性能評(píng)估

Gd3+6PJ多級(jí)熒光玻爾茲曼溫度測(cè)量特性及其寬溫區(qū)間的性能評(píng)估

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

需特別指出的是，這種藍(lán)光→紫外上轉(zhuǎn)換熒光粉材料很容易被價(jià)格低廉且功率強(qiáng)大的450nm藍(lán)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(shí)現(xiàn)了零背景發(fā)光測(cè)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(jià)值。
撰稿：禹德朝、李懷勇

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