上转换纳米粒子的光纤温度传感器研制
温度传感器是温度测量仪表的核心装置，生产生活中有着广泛的应用。高精度、高性能和快速反应的温度传感器是未来温度传感器的发展方向。基于稀土的上转换纳米粒子受到高能量的光的激发将会发出低能量的可见的有色光，属于反-斯托克斯发光，具有极高的信噪比和灵敏度，同时该纳米粒子发光具有良好的温度变化特性，可以用于温度的检测。本论文上转换纳米粒子的温度相关效应，将上转换纳米粒子固定于光纤端头结合光纤传输制成了光纤温度传感器。通过检测纳米粒子在523和545 nm处的发光强度比值，获得了上转换发光和温度的关系曲线，利用该曲线分析了温度传感器的测量范围及精确度。结果表明，本光纤温度传感器稳定性好、灵敏度高，具有良好的温度分辨率和抗干扰特性，有望用于各种特种环境温度下的测量关键词 上转换发光，纳米粒子，温度传感器，发光光谱，光纤
目 录
第一章 绪论 1
1.1 上转换发光材料概述 1
1.2 光纤温度传感器 6
1.3 本文主要研究内容 8
第二章 实验方法 8
2.1 实验仪器 8
2.2 纳米粒子的合成 9
2.3 合成结果 11
2.4 将纳米粒子放置于光纤端头 12
第三章 结果和讨论 14
3.1 发光光谱图 14
3.2 发光图谱的分析 15
3.3 总结经验公式 15
3.4 跟据公式得出温度于强度的关系图 16
3.5 利用温度探针检测液体的温度，得出检测精度和检测限 17
结论 19
致谢 20
参 考 文 献 21
绪论
上转换发光材料概述
1.1.1上转换发光材料定义
反斯托克斯发光，这是由斯托克斯定律得出，也可以成为上转换发光，上转换发光的本质也就是反斯托克斯发光。当材料收到高能的光的激发材料自身会发出比激发光能量低的光，这就是斯托克斯定律，也就是说短波长高频率的高能光激发出长波长低频率的低能光。可是，后来人们发现有些材料并不是一定按照这一定律来反光，这些材料的发光规律反而于斯托克斯定律相反，人们称之为反斯托克斯定律发光，这样的材料称为上转换 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
发光材料。
1.1.2上转换发光材料的主要成分
迄今为止，契合反斯托克斯发光的材料都产生在参杂稀土离子的化合物中，首要是一些氟化物、氧化物、含硫化合物、氟氧化物、卤化物等。
1.1.3上转换发光材料的组成及晶性
上转换纳米粒子就是通过化学的方法合成纳米粒，并在合成的过程中假稀土粒子设法参杂进纳米粒子。从理论上讲稀土元素都是可以进行上转换发光的，而事实上低泵浦功率（10W/cm2）激起下，并不是所有情况都能看到可见光，如果看到了可见光那么一定是被作为激活离子，由于光子接收和能量转移等上转换所涉及到的过程需要有着分布相对均匀的粒子去促进。通常使用敏化剂与激活剂一同掺杂的方法，因为其近红外光谱表现出了有较宽的吸收域，这样可以增大上转换的效率。从之前大多数的研究看来，敏化剂和激活剂的用量是有要求的，一般激活剂的浓度不能大于2%。
要使上转换发光的现象产生，上文已经提出必须要参杂稀土离子，而稀土粒子的能级状态必须是阶梯状的。不过材料的一些自身的属性也会影响上转换发光，比如晶性、表面形貌、光学性质等等，所以对于上转化发光材料的制作，在基材的选择上也是要着重考虑的。由高能的激发光激发材料自身发出了低能的光，可见这个过程中伴随着能量的损耗，经研究，其能量的损耗是由于用于激发粒子的能量可能会被基质材料的振动所吸收，不过事实也是如此，任何能量传递的过程都会伴随能量损耗。激活离子周围的晶体场是会随着材料本身的晶体结构的差异而产生变化的，这也是有些纳米粒子的光学性能突然发生转变的原因，如果纳米粒子有这样不稳定的情况，那么会给研究造成阻碍。所以并不是所有的稀土都适合作为上转换发光材料的参杂粒子。只有稳定性良好，声子能较低，光学性质稳定的材料才能作为上转换发光材料。因此，上转换发光材料的制作是离不开稀土
粒子的。
1.1.4上转换发光材料的光学性质
4f电子的迁跃是稀土离子的吸收和发射光谱主要来源来。因为外围5s和5p的电子的屏蔽下，所以4f电子几乎不会与基质发生相互作用，因此掺杂了稀土离子材料的吸收和发射光谱与其自由离子相似，显示出极尖锐的峰值（半峰宽约为10~20nm）。因为这极尖锐的峰值，激发激光的光源的波长收到了很大的限制。
为了使光谱的解析更具特点鲜明的图谱，要避免发射峰堆叠看不清图谱，镧系金属离子的光谱有两个极为鲜明的发射峰，并且不会堆叠，所以用镧系金属的发光光谱作为研究对象再适合不过。为了控制不同发射峰的相对强度的，可达到发光颜色可控的目的，控制参杂粒子加入的浓度或者成分是最简便也是最有效的方法了。
1.1.5转换过程机理
目前发现的转换机理有三种，它们分别是激发态吸收（ESA）、能量传递上转换（ETU）和光子雪崩（PA）[1]。
1959年．研究者们提出了ESA也就是激发态吸收过程，它的原理是离子从为了到达能量较高的激发态的过程，同一个离子在基态的情况下连续通过了许多光子的吸收，这是上转换发光的基本过程。
当两个激发态离子所携带的能量相同或相近时在完全隔离辐射的环境下发生藕合，就会产生能量的传递，在把能量转移给另一个之后，这个离子会回到低能态，另一个离子因为得到了能量而跃迁到了更高的能态。能量传递上转换的发生是不管是否是相同或不同粒子的，它既可以发生在同种离子之间，也可以发生在不同的离子之间。
“光子雪崩”[2]，上转换激光器的激发机制主要就是依靠光子雪崩，因此它得到了人们广泛关注。该机制的基础是：一个能级上的粒子通过交叉弛豫在另一个能级上产生量子效率大于1 的抽运效果。通俗来讲，激发态吸收和能量传递相的结合就是光子雪崩的基本过程，只是能量传输发生在同一种离子之间而已。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 上转换发光材料概述 1
1.2 光纤温度传感器 6
1.3 本文主要研究内容 8
第二章 实验方法 8
2.1 实验仪器 8
2.2 纳米粒子的合成 9
2.3 合成结果 11
2.4 将纳米粒子放置于光纤端头 12
第三章 结果和讨论 14
3.1 发光光谱图 14
3.2 发光图谱的分析 15
3.3 总结经验公式 15
3.4 跟据公式得出温度于强度的关系图 16
3.5 利用温度探针检测液体的温度，得出检测精度和检测限 17
结论 19
致谢 20
参 考 文 献 21
绪论
上转换发光材料概述
1.1.1上转换发光材料定义
反斯托克斯发光，这是由斯托克斯定律得出，也可以成为上转换发光，上转换发光的本质也就是反斯托克斯发光。当材料收到高能的光的激发材料自身会发出比激发光能量低的光，这就是斯托克斯定律，也就是说短波长高频率的高能光激发出长波长低频率的低能光。可是，后来人们发现有些材料并不是一定按照这一定律来反光，这些材料的发光规律反而于斯托克斯定律相反，人们称之为反斯托克斯定律发光，这样的材料称为上转换 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
发光材料。
1.1.2上转换发光材料的主要成分
迄今为止，契合反斯托克斯发光的材料都产生在参杂稀土离子的化合物中，首要是一些氟化物、氧化物、含硫化合物、氟氧化物、卤化物等。
1.1.3上转换发光材料的组成及晶性
上转换纳米粒子就是通过化学的方法合成纳米粒，并在合成的过程中假稀土粒子设法参杂进纳米粒子。从理论上讲稀土元素都是可以进行上转换发光的，而事实上低泵浦功率（10W/cm2）激起下，并不是所有情况都能看到可见光，如果看到了可见光那么一定是被作为激活离子，由于光子接收和能量转移等上转换所涉及到的过程需要有着分布相对均匀的粒子去促进。通常使用敏化剂与激活剂一同掺杂的方法，因为其近红外光谱表现出了有较宽的吸收域，这样可以增大上转换的效率。从之前大多数的研究看来，敏化剂和激活剂的用量是有要求的，一般激活剂的浓度不能大于2%。
要使上转换发光的现象产生，上文已经提出必须要参杂稀土离子，而稀土粒子的能级状态必须是阶梯状的。不过材料的一些自身的属性也会影响上转换发光，比如晶性、表面形貌、光学性质等等，所以对于上转化发光材料的制作，在基材的选择上也是要着重考虑的。由高能的激发光激发材料自身发出了低能的光，可见这个过程中伴随着能量的损耗，经研究，其能量的损耗是由于用于激发粒子的能量可能会被基质材料的振动所吸收，不过事实也是如此，任何能量传递的过程都会伴随能量损耗。激活离子周围的晶体场是会随着材料本身的晶体结构的差异而产生变化的，这也是有些纳米粒子的光学性能突然发生转变的原因，如果纳米粒子有这样不稳定的情况，那么会给研究造成阻碍。所以并不是所有的稀土都适合作为上转换发光材料的参杂粒子。只有稳定性良好，声子能较低，光学性质稳定的材料才能作为上转换发光材料。因此，上转换发光材料的制作是离不开稀土
粒子的。
1.1.4上转换发光材料的光学性质
4f电子的迁跃是稀土离子的吸收和发射光谱主要来源来。因为外围5s和5p的电子的屏蔽下，所以4f电子几乎不会与基质发生相互作用，因此掺杂了稀土离子材料的吸收和发射光谱与其自由离子相似，显示出极尖锐的峰值（半峰宽约为10~20nm）。因为这极尖锐的峰值，激发激光的光源的波长收到了很大的限制。
为了使光谱的解析更具特点鲜明的图谱，要避免发射峰堆叠看不清图谱，镧系金属离子的光谱有两个极为鲜明的发射峰，并且不会堆叠，所以用镧系金属的发光光谱作为研究对象再适合不过。为了控制不同发射峰的相对强度的，可达到发光颜色可控的目的，控制参杂粒子加入的浓度或者成分是最简便也是最有效的方法了。
1.1.5转换过程机理
目前发现的转换机理有三种，它们分别是激发态吸收（ESA）、能量传递上转换（ETU）和光子雪崩（PA）[1]。
1959年．研究者们提出了ESA也就是激发态吸收过程，它的原理是离子从为了到达能量较高的激发态的过程，同一个离子在基态的情况下连续通过了许多光子的吸收，这是上转换发光的基本过程。
当两个激发态离子所携带的能量相同或相近时在完全隔离辐射的环境下发生藕合，就会产生能量的传递，在把能量转移给另一个之后，这个离子会回到低能态，另一个离子因为得到了能量而跃迁到了更高的能态。能量传递上转换的发生是不管是否是相同或不同粒子的，它既可以发生在同种离子之间，也可以发生在不同的离子之间。
“光子雪崩”[2]，上转换激光器的激发机制主要就是依靠光子雪崩，因此它得到了人们广泛关注。该机制的基础是：一个能级上的粒子通过交叉弛豫在另一个能级上产生量子效率大于1 的抽运效果。通俗来讲，激发态吸收和能量传递相的结合就是光子雪崩的基本过程，只是能量传输发生在同一种离子之间而已。
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