張志宏，周慧麗，吳 鋒，張 雁*，葉林華

(1.中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川 成都 610500； 2.浙江大學(xué) 物理系，浙江 杭州 310027)

1 引 言

近年來(lái)，基于稀土離子上轉(zhuǎn)換熒光的熒光強(qiáng)度比例(FIR)型熒光溫度傳感器引起了廣泛關(guān)注和研究[1-3]。上轉(zhuǎn)換發(fā)光是指熒光材料通過吸收長(zhǎng)波長(zhǎng)光發(fā)射短波長(zhǎng)光的過程，它是一種反斯托克斯發(fā)光[4]。FIR型熒光溫度傳感器的測(cè)溫原理是稀土離子在外界激發(fā)光源泵浦下兩個(gè)熱耦合能級(jí)或兩個(gè)非熱耦合能級(jí)躍遷產(chǎn)生的熒光強(qiáng)度之比隨溫度單調(diào)變化，它具有非接觸式、高精度等優(yōu)點(diǎn)。相比于其他光學(xué)溫度傳感器，F(xiàn)IR型熒光溫度傳感器具有原理簡(jiǎn)單、可以有效減小因激發(fā)光源波動(dòng)、熒光信號(hào)傳輸損耗等非溫度因素引起的測(cè)量誤差等優(yōu)點(diǎn)[5]。

在稀土離子中，Tm3+離子因?yàn)槠湄S富的能級(jí)分布、較強(qiáng)的藍(lán)色和近紅外上轉(zhuǎn)換熒光而備受關(guān)注，其1G4的兩個(gè)Stark劈裂能級(jí)和3F2,3、3H4能級(jí)為兩對(duì)熱耦合能級(jí)[6-9]。由于Tm3+離子對(duì)980 nm激光的激發(fā)態(tài)吸收(ESA)較弱，而Yb3+離子在980 nm處具有較大的吸收截面，通常在熒光材料中共摻Y(jié)b3+離子作為敏化劑，通過Yb3+離子的能量轉(zhuǎn)移(ET)過程，使Tm3+離子上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率大大提升[10-11]。

上轉(zhuǎn)換熒光基質(zhì)材料的選擇對(duì)上轉(zhuǎn)換熒光特性會(huì)產(chǎn)生較大影響。一般認(rèn)為，低聲子能量的基質(zhì)可以有效降低非輻射弛豫過程，從而提高上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率。常見的低聲子基質(zhì)材料主要為氟化物，但由于氟化物化學(xué)穩(wěn)定性較差，且具有較高的毒性，從而限制了它的應(yīng)用[12]。與氟化物相比，倍半氧化物(Y2O3、Lu2O3等)擁有較好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性、無(wú)毒、且具有較低的聲子能量(約430 cm-1)、較高的熔點(diǎn)(約2 430 ℃)。而混合倍半氧化物(如LuYO3)在保持倍半氧化物優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，它的不規(guī)則晶體結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致熒光光譜的不均勻加寬[13-15]。據(jù)了解，目前尚未有Tm3+/Yb3+共摻LuYO3熒光材料的上轉(zhuǎn)換熒光溫度特性研究報(bào)道。

本文通過CO2激光區(qū)熔法制備了Tm3+/Yb3+共摻LuYO3熒光材料。用XRD表征了樣品的晶體結(jié)構(gòu)，在980 nm激光激發(fā)下，研究了樣品從223～773 K溫度范圍內(nèi)的上轉(zhuǎn)換熒光光譜，并通過FIR方法研究了樣品1G4的兩個(gè)Stark劈裂能級(jí)和3F2,3、3H4熱耦合能級(jí)的熒光溫度傳感特性。

2 實(shí) 驗(yàn)

采用CO2激光區(qū)熔法制備Tm3+/Yb3+共摻LuYO3熒光材料，所用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備與激光加熱基座法(LHPG)中所使用的相同[8,16-17]。Tm3+離子和Yb3+離子的摻雜濃度對(duì)上轉(zhuǎn)換熒光材料的熒光強(qiáng)度具有重要的影響。Hou等[18]發(fā)現(xiàn)，在Tm/Yb∶Y2O3上轉(zhuǎn)換材料中，Yb3+離子濃度與Tm3+離子濃度之比為15∶1時(shí)Tm3+離子的上轉(zhuǎn)換藍(lán)色熒光強(qiáng)度最強(qiáng)，Yb3+離子濃度過高會(huì)使得上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率降低。結(jié)合我們之前Tm/Yb∶LuAG上轉(zhuǎn)換熒光特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果[8]，選定Tm3+離子和Yb3+離子摻雜濃度分別為0.3%和5%。將Lu2O3、Y2O3、Yb2O3、Tm2O3按照如下化學(xué)方程式進(jìn)行配比：(1-x-y)Lu2O3+(1-x-y)Y2O3+2xYb2O3+2yTm2O3=4(LuY)1-x-yYb2xTm2yO3,其中x為5%，y為0.3%，共稱取2 g按上述化學(xué)計(jì)量配比粉末原料。將精確稱量的粉末原料放入瑪瑙研缽之中，加入一定量無(wú)水乙醇進(jìn)行充分研磨使得混合均勻，待乙醇完全揮發(fā)后，將混合好的原料用模具壓制成粗細(xì)均勻的粉末源棒，并于1 280 ℃的高溫爐中燒結(jié)4 h。將燒結(jié)完畢的粉末源棒固定在激光加熱基座法晶體光纖生長(zhǎng)裝置的籽晶夾具處，如圖1所示，移動(dòng)源棒位置，使得兩束CO2激光聚焦于源棒的下端。調(diào)節(jié)CO2激光功率，使得源棒充分熔化，并使源棒緩慢下降且左右旋轉(zhuǎn)，充分熔化后的源棒冷卻后得到所需Tm3+/Yb3+共摻LuYO3熒光材料。

圖1 Tm3+/Yb3+共摻LuYO3熒光材料制備圖Fig.1 Schematic diagram of preparation of Tm3+/Yb3+ co-doped LuYO3 phosphor

采用X射線衍射儀(XRD，Panalytical，Cu-Kα)對(duì)樣品的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量。樣品的上轉(zhuǎn)換熒光測(cè)試裝置如圖2所示。激發(fā)光源采用波長(zhǎng)為980 nm的半導(dǎo)體激光器(LSR980H，寧波遠(yuǎn)明激光技術(shù)有限公司)，帶SMA905光纖輸出接口。采用波長(zhǎng)分辨率為0.5 nm的光纖光譜儀(S2000-VIS，杭州賽曼科技有限公司)測(cè)試樣品的上轉(zhuǎn)換熒光，波長(zhǎng)測(cè)試范圍為320～1 100 nm。為了測(cè)試樣品的上轉(zhuǎn)換熒光溫度特性，將所制備樣品磨成粉末，取適量放置于半封閉陶瓷管中，并用一根藍(lán)寶石光纖將陶瓷管內(nèi)樣品與Y型石英光纖公共端連接，Y型石英光纖的一個(gè)分支連接激發(fā)光源，熒光信號(hào)從另一個(gè)分支導(dǎo)出，通過截止濾光片后連接到光纖光譜儀，截止濾光片用于濾除上轉(zhuǎn)換熒光信號(hào)中的激發(fā)光。樣品的室溫以上溫度特性在一個(gè)可編程溫度控制系統(tǒng)控制的管式爐(LTKC-6-13CX，杭州藍(lán)天化驗(yàn)儀器廠)中進(jìn)行，低溫特性由低溫試驗(yàn)箱(DW-50，河北滄州華屹試驗(yàn)儀器有限公司)完成。

圖2 上轉(zhuǎn)換熒光光譜測(cè)試裝置Fig.2 Test setup to measure the upconversion luminescence

3 結(jié)果與討論

3.1 晶體結(jié)構(gòu)

圖3為Tm3+/Yb3+共摻LuYO3熒光材料的XRD圖及Y2O3和Lu2O3的標(biāo)準(zhǔn)卡PDF#43-1036和PDF#65-3172。Lu2O3與Y2O3均為立方晶相，它們擁有相同的結(jié)構(gòu)，理論上兩種材料中的Lu3+和Y3+可以互相替換而不改變其晶體結(jié)構(gòu)。從圖中可以看出，樣品在10°～75°范圍內(nèi)的X射線衍射峰角度與Y2O3標(biāo)準(zhǔn)卡相比略微偏大，而與Lu2O3標(biāo)準(zhǔn)卡相比，樣品的X射線衍射峰角度略微偏小，這是由于Lu2O3的晶格常數(shù)(1.039 nm)小于Y2O3(1.060 nm)，LuYO3的晶格常數(shù)介于Lu2O3與Y2O3之間[14]，晶格常數(shù)增大會(huì)導(dǎo)致衍射峰角度減小，從而導(dǎo)致衍射峰位有規(guī)律地變化。樣品在測(cè)試范圍內(nèi)沒有觀察到其他雜質(zhì)引起的二級(jí)衍射峰，說(shuō)明摻雜的離子沒有改變基質(zhì)材料的晶體結(jié)構(gòu)，樣品展現(xiàn)出純立方晶相。

圖3 樣品的XRD圖譜和Y2O3、Lu2O3標(biāo)準(zhǔn)圖譜。Fig.3 XRD spectrum of the sample and Y2O3,Lu2O3 standard card.

3.2 上轉(zhuǎn)換熒光光譜和發(fā)光機(jī)理

圖4展示了Tm3+/Yb3+共摻LuYO3熒光材料在不同功率的980 nm激光激發(fā)下的上轉(zhuǎn)換熒光光譜，插圖為所制備的樣品和樣品在980 nm激光激發(fā)下產(chǎn)生的上轉(zhuǎn)換熒光。從圖中我們可以看到，在980 nm激光激發(fā)下，樣品輻射出較強(qiáng)的藍(lán)色熒光，隨著激發(fā)功率從36 mW增加到200 mW，樣品的上轉(zhuǎn)換熒光強(qiáng)度也逐漸變強(qiáng)，同時(shí)上轉(zhuǎn)換熒光譜的形狀和峰值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)沒有發(fā)生明顯的改變和偏移。樣品的上轉(zhuǎn)換熒光譜主要包含4個(gè)熒光帶：1G4→3H6躍遷發(fā)出的藍(lán)色上轉(zhuǎn)換熒光，波長(zhǎng)范圍為 440～520 nm，熒光信號(hào)較強(qiáng)，并出現(xiàn)了明顯的Stark劈裂，劈裂熒光帶所對(duì)應(yīng)的峰值波長(zhǎng)分別為477 nm和488.8 nm，分別對(duì)應(yīng)1G4(a)→3H6和1G4(b)→3H6躍遷[19]；1G4→3F4躍遷產(chǎn)生的紅色上轉(zhuǎn)換熒光，波長(zhǎng)范圍為620～660 nm；3F2,3→3H6躍遷產(chǎn)生的紅色上轉(zhuǎn)換熒光，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍為660～730 nm，熒光信號(hào)較弱；以及波長(zhǎng)范圍為730～840 nm的近紅外熒光，對(duì)應(yīng)3H4→3H6躍遷。

拉深又稱拉延，它是利用模具使平面毛坯變成開口的空心零件的沖壓工藝方法。拉深件應(yīng)盡量簡(jiǎn)單、對(duì)稱、精度要求不宜過高，盡可能一次拉伸成形。良好的拉深工藝性應(yīng)能滿足省材料、工序少、模具加工較容易、使用壽命高、操作簡(jiǎn)單及產(chǎn)品質(zhì)量好等要求。要拉深的零件為玻璃器外殼。屬于大批量生產(chǎn)的零件，其形狀簡(jiǎn)單、對(duì)稱、有利于合理排樣、減少?gòu)U料，直線、曲線的連接處的圓角半徑較合適。選用08F鋼，厚度為1.5mm,其彎曲半徑均大于該種材料的最小彎曲半徑，工件精度要求不高，不需要校形，此工件的形狀滿足拉深工件的要求，可用拉深工序加工。

圖4 Tm3+/Yb3+共摻LuYO3熒光材料在不同激發(fā)功率下的上轉(zhuǎn)換熒光光譜(插圖為制備好的樣品和其較強(qiáng)的上轉(zhuǎn)換藍(lán)色熒光)Fig.4 UC spectra of Tm3+/Yb3+ co-doped LuYO3 phosphor under various pumping power(insert is the prepared sample and its strong blue UC emission)

稀土離子熒光材料在激光激發(fā)下，對(duì)外輻射出各種顏色的上轉(zhuǎn)換熒光，在該過程中，稀土離子向外輻射一個(gè)光子需要吸收一定數(shù)目的激發(fā)光的光子，我們用n表示所需的光子數(shù)目，用I表示稀土離子的上轉(zhuǎn)換熒光強(qiáng)度，P表示激發(fā)光的泵浦功率，它們滿足以下關(guān)系[20]：

I∝Pn，

(1)

對(duì)上式兩邊取對(duì)數(shù)可得到：

lnI∝nlnP，

(2)

圖5(a)給出了1G4(a)→3H6、1G4(b)→3H6和1G4→3F4躍遷的熒光強(qiáng)度峰值與不同激發(fā)功率密度的對(duì)數(shù)關(guān)系。從擬合結(jié)果中可以看到，在功率密度較小時(shí)，1G4(a)→3H6(477 nm)、1G4(b)→3H6(488.8 nm)和1G4→3F4(654.1 nm)的擬合直線給出的斜率分別為2.32，2.21，2.24；當(dāng)功率密度變大時(shí)，斜率減小為1.90，1.72，2.00。圖5(b)中給出了3H4→3H6(811.5 nm)和3F2,3→3H6(684.5 nm)躍遷的熒光強(qiáng)度峰值數(shù)據(jù)和擬合直線，在功率密度較小時(shí)，3H4→3H6擬合得到的n值為1.35；當(dāng)功率密度變大時(shí)，n值減小為1.30，3F2,3→3H6的n值為1.65。

圖5 樣品的上轉(zhuǎn)換熒光強(qiáng)度隨功率密度變化的雙對(duì)數(shù)圖Fig.5 Logarithmic graph of the UC emission intensity versus excitation power density

圖6展示了LuYO3∶Tm3+/Yb3+熒光材料在980 nm激光激發(fā)下的上轉(zhuǎn)換發(fā)光機(jī)制。Yb3+離子首先從2F7/2能級(jí)激發(fā)到2F5/2能級(jí)，接著Yb3+離子通過能量轉(zhuǎn)移(ET)過程，將能量傳遞給Tm3+離子，將Tm3+離子從基態(tài)3H6能級(jí)激發(fā)到3H5能級(jí)。處于3H5能級(jí)的Tm3+離子無(wú)輻射弛豫到3F4能級(jí)，隨后再次吸收來(lái)自Yb3+離子傳遞的能量躍遷到3F2,3能級(jí)。處于3F2,3能級(jí)的Tm3+離子一部分通過3F2,3→3H6躍遷產(chǎn)生了峰值為684.5 nm的上轉(zhuǎn)換熒光，其余弛豫到較低的3H4能級(jí)。處于3H4能級(jí)的Tm3+離子可以躍遷回基態(tài)產(chǎn)生峰值為811.5 nm的近紅外熒光，也可以通過第三次ET過程被激發(fā)到能級(jí)1G4(a)和1G4(b)。處于基態(tài)的Tm3+離子也可以被兩個(gè)處于激發(fā)態(tài)的Yb3+離子協(xié)同致敏躍遷至1G4(a)和1G4(b)能級(jí)[21-22]。處于1G4(a)和1G4(b)能級(jí)的Tm3+離子可以躍遷到基態(tài)3H6能級(jí)發(fā)出中心波長(zhǎng)為477 nm和488.8 nm的藍(lán)色上轉(zhuǎn)換熒光，也可以躍遷到3F4能級(jí)發(fā)出中心波長(zhǎng)為654.1 nm的紅色上轉(zhuǎn)換熒光。因此，在Yb3+/Tm3+共摻雜的LuYO3熒光材料樣品中，Tm3+離子的1G4(a)/1G4(b)→3H6/3F4躍遷產(chǎn)生上轉(zhuǎn)換熒光是三光子過程，而3F2,3→3H6和3H4→3H6屬于雙光子過程。如圖5所示，1G4→3H6,3F4躍遷的實(shí)驗(yàn)擬合數(shù)據(jù)出現(xiàn)了明顯的功率飽和現(xiàn)象[20]。根據(jù)之前的報(bào)道我們可知，3F4能級(jí)壽命較長(zhǎng)[23]，當(dāng)激發(fā)功率較大時(shí)，處于3F4能級(jí)上的Tm3+離子容易處于飽和狀態(tài)，使得處于3F4能級(jí)的Tm3+離子只需通過兩次ET過程躍遷至1G4能級(jí)，從而造成擬合值n偏小。

圖6 Tm3+與Yb3+離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)及上轉(zhuǎn)換發(fā)光機(jī)理Fig.6 Energy level diagram and the UC mechanism of Tm3+ and Yb3+ ions

3.3 上轉(zhuǎn)換熒光溫度傳感特性

為了研究Tm3+/Yb3+共摻LuYO3熒光材料的熒光溫度傳感特性，在980 nm激光激發(fā)下，測(cè)量了樣品在不同溫度下的上轉(zhuǎn)換熒光光譜，激發(fā)功率設(shè)置為128 mW，所用藍(lán)寶石光纖直徑為0.8 mm，對(duì)應(yīng)功率密度為254.6 mW/mm2，以避免980 nm激光功率密度過大產(chǎn)生的自加熱效應(yīng)，熒光光譜波長(zhǎng)測(cè)量范圍為400～880 nm。圖7為Tm3+/Yb3+共摻LuYO3熒光材料在不同溫度下的上轉(zhuǎn)換熒光光譜。從圖中可以看出，隨著溫度升高，上轉(zhuǎn)換熒光發(fā)射峰在光譜中沒有位移，波長(zhǎng)440～520 nm(1G4→3H6)藍(lán)色熒光和730～840 nm(3H4→3H6)近紅外熒光光強(qiáng)較強(qiáng)，且藍(lán)色熒光帶顯示出明顯的光譜分裂。從圖7(a)中可見，在223～273 K范圍內(nèi)，樣品的上轉(zhuǎn)換熒光光強(qiáng)隨溫度升高先增大后減小，在258 K處達(dá)到最大。從圖7(b)中可見，在298～773 K溫度范圍內(nèi)，波長(zhǎng)440～520 nm(1G4→3H6)藍(lán)色熒光、波長(zhǎng)620～660 nm(1G4→3F4)紅色熒光、波長(zhǎng)730～840 nm(3H4→3H6)近紅外熒光隨溫度升高而減弱，3F2,3→3H6躍遷產(chǎn)生的660～730 nm紅色熒光在低溫范圍內(nèi)比較微弱，光強(qiáng)隨溫度的升高先升高后下降，在623 K處達(dá)到最大值。

圖7 樣品在223～273 K(a)和298～773 K(b)溫度范圍的上轉(zhuǎn)換熒光光譜Fig.7 UCL spectra of the sample in the range of 223-273 K(a)and 298-773 K(b)

樣品熒光強(qiáng)度隨溫度變化的原因與Yb3+離子到Tm3+離子之間的能量傳遞效率和Tm3+離子的非輻射躍遷幾率有關(guān)，這兩個(gè)因素都與平均聲子數(shù)密切相關(guān)[24-25]，是兩個(gè)互相競(jìng)爭(zhēng)的過程。能量傳遞是指Yb3+離子通過多極距的作用將能量無(wú)輻射地傳遞給Tm3+，從而增加Tm3+激發(fā)態(tài)的布居數(shù)，因?yàn)閭鬟f過程中能量不匹配，所以這個(gè)過程需要聲子的輔助[26]；非輻射弛豫過程是指在聲子的輔助作用下，處于激發(fā)態(tài)的Tm3+離子無(wú)輻射弛豫到基態(tài)，這個(gè)過程不放出光子，能量完全以熱形式耗散[27]。平均聲子數(shù)隨溫度的升高而增加，它既會(huì)輔助Yb3+離子與摻雜離子之間的能量傳遞，也會(huì)給非輻射躍遷提供去活化所需要的活化能，因此能量傳遞效率和非輻射躍遷幾率隨溫度的升高而增大。但在溫度較低時(shí)，能量傳遞效率對(duì)光強(qiáng)的影響大于非輻射躍遷；而溫度較高時(shí)，非輻射弛豫對(duì)光強(qiáng)的影響大于能量傳遞。在兩個(gè)因素的共同影響下，當(dāng)溫度較低時(shí)，樣品的熒光強(qiáng)度隨溫度的升高而升高，當(dāng)溫度達(dá)到能量傳遞效率和非輻射弛豫幾率對(duì)熒光強(qiáng)度造成的影響程度相等的轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)，熒光光強(qiáng)達(dá)到最大；當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，熒光光強(qiáng)隨溫度的升高而減小[25]。

稀土離子中的熱耦合能級(jí)的粒子數(shù)布居滿足玻爾茲曼分布，考慮到熒光光譜重疊等因素的干擾，Wade等將兩個(gè)熱耦合能級(jí)1和2的熒光強(qiáng)度比例(R)滿足的公式修正為[5]：

(3)

其中I1、I2為熒光積分強(qiáng)度；A為常數(shù)；B為補(bǔ)償因子，通常與兩個(gè)熱耦合能級(jí)光譜重疊和雜散光等相關(guān)；ΔE為能級(jí)間隙；kB為玻爾茲曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度。

在Tm3+/Yb3+共摻LuYO3熒光材料中，我們以1G4能級(jí)的兩個(gè)Stark劈裂能級(jí)和3F2,3、3H4能級(jí)作為兩對(duì)熱耦合能級(jí)，探究它們的熒光溫度傳感特性。我們將1G4(a)→3H6和1G4(b)→3H6的熒光強(qiáng)度比表示為R1，熒光積分區(qū)間分別為440～482 nm和482～520 nm；將3F2,3→3H6和3H4→3H6的熒光強(qiáng)度比表示為R2，熒光積分區(qū)間分別為660～730 nm和730～840 nm。圖8展示了不同溫度下的R1、R2值及它們的擬合曲線。如圖所示，在223～723 K溫度范圍，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和擬合曲線符合得很好。R1由公式(3)擬合得出的系數(shù)A、B分別為3.96和-0.56，對(duì)應(yīng)的ΔE為0.032 eV；R2的擬合系數(shù)A、B分別為7.59和0.08，對(duì)應(yīng)的ΔE為0.195 eV。

圖8 不同溫度下樣品的熒光強(qiáng)度比及其擬合曲線Fig.8 R and the fitting curve of the sample at different temperatures

熒光溫度傳感器的靈敏度是一個(gè)描述溫度分辨率的重要參數(shù)。對(duì)于基于熱耦合能級(jí)R的溫度傳感器，絕對(duì)靈敏度Sa定義為：

(4)

同時(shí)定義相對(duì)靈敏度Sr:

(5)

圖9(a)展示了基于1G4(a)和1G4(b)熱耦合能級(jí)的R的絕對(duì)靈敏度與相對(duì)靈敏度隨溫度的變化，可以看到其Sa和Sr均隨溫度的升高而降低，在223 K處得到最大絕對(duì)靈敏度和相對(duì)靈敏度，分別為5.62×10-3K-1和28.2×10-3K-1。圖9(b)展示了基于3F2,3和3H4熱耦合能級(jí)的R的絕對(duì)靈敏度與相對(duì)靈敏度隨溫度的變化關(guān)系，絕對(duì)靈敏度會(huì)隨著溫度的升高而逐漸增大，而其相對(duì)靈敏度則會(huì)呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，在723 K處得到Sa最大值為1.44×10-3K-1，在516.3 K處得到Sr最大值為4.61×10-3K-1。所以在Tm3+/Yb3+共摻LuYO3熒光材料中，1G4的兩個(gè)Stark劈裂能級(jí)比較適合低溫下的溫度測(cè)量，而3F2,3和3H4這對(duì)熱耦合能級(jí)比較適合高溫下的熒光溫度傳感。

圖9 樣品的靈敏度隨溫度變化曲線Fig.9 Sensitivity of the sample varies with temperature

在實(shí)際應(yīng)用中，重復(fù)性是熒光溫度傳感器的一個(gè)重要因素。圖10(a)、(b)中給出了樣品在298 K和673 K下R1和R2的重復(fù)性測(cè)試數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，在循環(huán)加熱冷卻過程中，樣品的R1和R2均擁有良好的重復(fù)性，室溫和高溫下的R值基本不變。這說(shuō)明樣品作為一種溫度傳感器具有優(yōu)良的重復(fù)性和熱穩(wěn)定性。

圖10 R1和 R2在298 K和673 K下的重復(fù)性測(cè)試Fig.10 Repeatability test of R1 and R2 at 298 K and 673 K

表1展示了不同基質(zhì)材料的Tm3+/Yb3+共摻熒光材料的溫度傳感性能。從表中可以看出，與其他基質(zhì)材料相比，Tm3+/Yb3+共摻LuYO3的測(cè)溫范圍較寬，最低測(cè)量溫度低至223 K。此外，Tm3+/Yb3+共摻LuYO3的1G4(a)、1G4(b)熱耦合能級(jí)的最大相對(duì)靈敏度與其他已發(fā)表的工作相比有較大提高；樣品的3F2,3、3H4熱耦合能級(jí)的最大相對(duì)靈敏度也較高。

表1 不同基質(zhì)材料中Tm3+的溫度傳感性能Tab.1 Temperature sensing performance of Tm3+ in various host materials

4 結(jié) 論

本文采用CO2激光區(qū)熔法制備了LuYO3∶Tm3+(0.3%)-Yb3+(5%)熒光材料，在980 nm激光激發(fā)下利用熒光強(qiáng)度比方法對(duì)樣品的1G4(a)、1G4(b)和3F2,3、3H4兩對(duì)熱耦合能級(jí)在223～723 K區(qū)間的溫度傳感特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，1G4(a)、1G4(b)熱耦合能級(jí)在低溫下靈敏度較高，3F2,3、3H4熱耦合能級(jí)比較適合高溫下的溫度傳感測(cè)量?；?G4(a)、1G4(b)熱耦合能級(jí)的R在223 K處有最大絕對(duì)靈敏度5.62×10-3K-1和最大相對(duì)靈敏度28.2×10-3K-1；基于3F2,3和3H4熱耦合能級(jí)的R在723 K處有最大絕對(duì)靈敏度為1.44×10-3K-1，在516.3 K處有最大相對(duì)靈敏度為4.61×10-3K-1。LuYO3∶Tm3+/Yb3+熒光材料擁有的兩對(duì)熱耦合能級(jí)、較大靈敏度和較寬的測(cè)溫范圍說(shuō)明其非常適合用于熒光溫度傳感。