Er³⁺/Yb³⁺共掺Y₂O₃材料的上转换荧光温度特性研究

近年来，基于稀土荧光材料的荧光强度比型光学温度传感测温系统在电力工业、生物医学和军事国防等领域都存在着潜在的应用价值。实现高精度、宽范围的温度测量成为国内外研究的热点。本文采用溶胶凝胶方法制备了Er3+/Yb3+掺杂Y2O3纳米晶与陶瓷,研究了Er3+/Yb3+掺杂Y2O3纳米晶与陶瓷的上转换荧光测温性质和泵浦激光热效应对Er3+离子上转换荧光强度影响的相关问题。开展了Er3+/Yb3+掺杂Y2O3纳米晶与陶瓷的荧光测温性质研究。利用溶胶凝胶方法制备了一系列不同Yb3+掺杂浓度的Er3+/Yb3+掺杂Y2O3纳米晶，利用X射线对样品进行了表征。在980nm二极管激光器激发下，研究了Er3+/Yb3+掺杂Y2O3纳米晶的上转换荧光光谱，发现当掺杂浓度为1mol%Er3+/10mol%Yb3+时，样品的荧光效率高并且对激光的热效应响应明显。测量了该样品323-773K温度范围内不同温度的上转换荧光光谱，分析确定了基于Y2O3：Er3+/Yb3+样品绿色上转换荧光的测温行为，研究发现，当温度为623K时，该系统的测温灵敏度达到最高值，约为5.1×10-3K-1。同时，根据玻尔兹曼统计分布规律分析了Er3+离子4S3/2与2H11/2劈裂能级上的粒子数随温度升高的变化关系，并由实验验证了理论的正确性。将Er3+/Yb3+掺杂Y2O3纳米晶高温煅烧成陶瓷，测量了低温范围内样品的上转换荧光光谱，研究发现基于Er3+/Yb3+掺杂Y2O3陶瓷的荧光强度比测温方法受低温限制，当温度低于0℃时，荧光强度比测温存在较大误差。开展了泵浦激光热效应对Er3+离子上转换荧光强度影响的研究。测量了不同激发光功率下样品的上转换荧光强度，对不同功率下的荧光强度与不同温度下的荧光强度进行综合分析，得出泵浦光功率和样品光斑处温度的关系。研究发现，激光光斑温度随激光功率增加而迅速升高，当功率为770mW时，样品表面温度升高至643.5K，高温导致稀土激发态无辐射弛豫速率的增加，进而猝灭稀土荧光，这在上转换荧光强度饱和现象中起到了关键作用。以564nm的双对数曲线为已知，根据热耦合理论推导出热耦合情况下的540nm、524nm的双对数曲线，通过对比理论和实验的双对数曲线，得出N1（564nm所对应的能级）和N3（524nm所对应的能级）构成热耦合能级对，N1和N2（540nm所对应的能级）构成热耦合能级对，并且N1和N2的热耦合程度要好于N1和N3。