CN105300563B - 一种上转换荧光强度比测温技术的修正方法 - Google Patents
一种上转换荧光强度比测温技术的修正方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105300563B CN105300563B CN201510810135.9A CN201510810135A CN105300563B CN 105300563 B CN105300563 B CN 105300563B CN 201510810135 A CN201510810135 A CN 201510810135A CN 105300563 B CN105300563 B CN 105300563B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- energy level
- fluorescence
- rare earth
- decay
- earth ion
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Landscapes
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
一种上转换荧光强度比测温技术的修正方法,本发明涉及一种上转换荧光强度比测温技术的修正方法。本发明是要解决现有测温技术测温结果不准确的问题,方法为:激发源发出的激发光经过凸透镜汇聚照射到感温材料上,感温材料所发射的上转换荧光通过凸透镜汇聚入射到光谱仪中,光谱仪连接存储示波器和计算机进行数据处理,给出修正曲线,即完成。本发明的修正方法消除了荧光强度比与玻尔兹曼分布律的偏差,在保持了荧光强度比方法抗干扰能力强、稳定性好、灵敏度高的优点的同时,提高了其测温的准确度。本发明应用于稀土荧光测温领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种上转换荧光强度比测温技术的修正方法。
背景技术
为了满足科学研究以及工业技术中某些特殊环境对温度测量的需要,荧光温度传感技术这种基于荧光材料光谱性质的温度依赖关系的非接触温度传感方法引起了人们的广泛关注,具有重要的实用价值。
荧光强度比测温技术(FIR)是荧光温度传感技术中应用最为重要的一种,其原理是利用稀土离子的两个相邻的具有热耦合关系的激发态能级向某一低能级跃迁时发射的荧光强度的比值来测温,这种利用比值的测温方法具有抗干扰、噪声小、成本低的优点。FIR技术中,两个荧光强度的大小与能级上热布局的粒子数成正比,而热布局的粒子数满足玻尔兹曼分布,因此荧光强度的比值满足公式FIR=Aexp(-ΔE/kT)。式中,FIR表示荧光强度比值、ΔE为两个热偶和能级之差、k为玻尔兹曼常数、T为温度。由此公式可以得出,FIR技术的测温灵敏度为S=ΔE/kT2。
目前,荧光强度比测温技术仍然存在一些问题使得这种技术在实际应用中比较困难。为了获得更高的测温灵敏度,通常需要选择能级差ΔE大的材料,而ΔE增大时,热耦合能级对的上能级辐射的荧光强度很弱,荧光信号的信噪比很低,因此会引起较大的测温误差,此外,当ΔE减小时,FIR公式又不完全满足玻尔兹曼分布,此时公式中需要加入修正项,变为FIR=Aexp(-ΔE/kT)+B,修正项B的引入会导致测温结果不准确。因此对FIR进行修正以消除修正项能够使得FIR技术在保持较高的测温灵敏度的同时其测温准确性也得到保证。
发明内容
本发明是要解决现有测温技术测温结果不准确的问题,提供一种上转换荧光强度比测温技术的修正方法。
本发明一种上转换荧光强度比测温技术的修正方法,是按以下步骤进行的:一、980nm二极管激光发出的脉冲激发光经过凸透镜汇聚照射到稀土离子掺杂的感温材料上,稀土离子掺杂的感温材料所发射的上转换荧光通过另一凸透镜汇聚入射到计算机控制的光栅光谱仪中,其中计算机控制的光栅光谱仪采集的荧光光谱具有两个荧光发射峰,分别为稀土离子两个相邻且存在热耦合关系的能级到下能级辐射跃迁所产生的荧光发射峰,上能级A发射的荧光波长短于下能级B发射的波长;二、将计算机控制的光栅光谱仪连接存储示波器,存储示波器进行不同温度下荧光衰变曲线的测量,得到不同温度下的下能级B荧光衰变曲线和上能级A荧光衰变曲线;计算机进行数据处理,给出修正系数,修正后的荧光强度比为FIRc=FIR·C0/(C0+C1),得到修正曲线;所述的上能级A为稀土离子两个相邻且存在热耦合关系的能级中的上能级;下能级B为稀土离子两个相邻且存在热耦合关系的能级中的下能级。
本发明中980nm二极管激光发出的脉冲激发光经过凸透镜汇聚照射到感温材料上,感温材料所发射的上转换荧光通过凸透镜汇聚入射到光谱仪中,由光谱仪对所探测到的荧光进行光谱分析。分别测量来源于热耦合能级辐射跃迁的两个荧光峰的衰变曲线。由于下能级上转换荧光来源于镱离子的敏化作用,其归一化的荧光衰变曲线呈双e指数规律衰减:I1=C01exp(-t/τ1)+C02exp(-t/τ2),τ1和τ2为拟合的寿命,C01、C02为拟合权重系数。由于两个能级存在热耦合关系,上能级辐射强度I2随时间t的衰变规律呈三e指数衰减:I2(t)=C0exp(-t/τ0)+C1[C01exp(-t/τ3)+C02exp(-t/τ4)],短寿命τ0为能级本征寿命,另外两个寿命与下能级荧光辐射寿命一致,C0、C1为拟合权重系数。固定τ3=τ1、τ4=τ2,利用C01、C02、τ3、τ4对上能级上转换荧光的衰变曲线进行三e指数拟合,获得拟合参量C0和C1。FIR的修正系数为C0/(C0+C1),修正后的荧光强度比表示为FIRc=FIR·C0/(C0+C1)。此修正后上转换荧光的荧光强度比随温度的变化规律与玻尔兹曼分布律没有偏差。
本发明的修正方法消除了荧光强度比与玻尔兹曼分布律的偏差,在保持了荧光强度比方法抗干扰能力强、稳定性好、灵敏度高的优点的同时,提高了其测温的准确度。
附图说明
图1为实施例1的流程示意图;其中1为405nm发光二极管、2为透镜、3为镱和铥掺杂的感温材料、4为另一透镜、5为光栅光谱仪、6为计算机、7为存储示波器;
图2为980nm激光激发下稀土铥的上转换荧光光谱;
图3为修正前的FIR与波尔兹曼分布率偏差的示意图,“○”为修正前的FIR,a为波尔兹曼分布曲线;
图4为修正参数随温度的变化规律图,b为拟合曲线;
图5为修正后的FIR与波尔兹曼分布率无偏差的示意图,“○”为修正前的FIR,a为波尔兹曼分布曲线。
具体实施方式
具体实施方式一:本实施方式一种上转换荧光强度比测温技术的修正方法,是按以下步骤进行的:一、980nm二极管激光发出的脉冲激发光经过凸透镜汇聚照射到稀土离子掺杂的感温材料上,稀土离子掺杂的感温材料所发射的上转换荧光通过另一凸透镜汇聚入射到计算机控制的光栅光谱仪中,其中计算机控制的光栅光谱仪采集的荧光光谱具有两个荧光发射峰,分别为稀土离子两个相邻且存在热耦合关系的能级到下能级辐射跃迁所产生的荧光发射峰,上能级A发射的荧光波长短于下能级B发射的波长;二、将计算机控制的光栅光谱仪连接存储示波器,存储示波器进行不同温度下荧光衰变曲线的测量,得到不同温度下的下能级B荧光衰变曲线和上能级A荧光衰变曲线;计算机进行数据处理,给出修正系数,修正后的荧光强度比为FIRc=FIR·C0/(C0+C1),得到修正曲线;所述的上能级A为稀土离子两个相邻且存在热耦合关系的能级中的上能级;下能级B为稀土离子两个相邻且存在热耦合关系的能级中的下能级。
本实施方式中980nm二极管激光发出的脉冲激发光经过凸透镜汇聚照射到感温材料上,感温材料所发射的上转换荧光通过凸透镜汇聚入射到光谱仪中,由光谱仪对所探测到的荧光进行光谱分析。分别测量来源于热耦合能级辐射跃迁的两个荧光峰的衰变曲线。由于下能级上转换荧光来源于镱离子的敏化作用,其归一化的荧光衰变曲线呈双e指数规律衰减:I1=C01exp(-t/τ1)+C02exp(-t/τ2),τ1和τ2为拟合的寿命,C01、C02为拟合权重系数。由于两个能级存在热耦合关系,上能级辐射强度I2随时间t的衰变规律呈三e指数衰减:I2(t)=C0exp(-t/τ0)+C1[C01exp(-t/τ3)+C02exp(-t/τ4)],短寿命τ0为能级本征寿命,另外两个寿命与下能级荧光辐射寿命一致,C0、C1为拟合权重系数。固定τ3=τ1、τ4=τ2,利用C01、C02、τ3、τ4对上能级上转换荧光的衰变曲线进行三e指数拟合,获得拟合参量C0和C1。FIR的修正系数为C0/(C0+C1),修正后的荧光强度比表示为FIRc=FIR·C0/(C0+C1)。此修正后上转换荧光的荧光强度比随温度的变化规律与玻尔兹曼分布律没有偏差。
本实施方式的修正方法消除了荧光强度比与玻尔兹曼分布律的偏差,在保持了荧光强度比方法抗干扰能力强、稳定性好、灵敏度高的优点的同时,提高了其测温的准确度。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同的是:所述的稀土离子掺杂的感温材料为镱离子与其他稀土离子共同掺杂的感温材料。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式一或二不同的是:下能级B辐射强度I1呈双e指数规律衰减:I1=C01exp(-t/τ1)+C02exp(-t/τ2),τ1和τ2为拟合的寿命,C01、C02为拟合权重系数,通过对不同温度下的下能级B荧光衰变曲线进行双e指数拟合,获得不同温度下的拟合寿命τ1和τ2;上能级辐射强度I2随时间t的衰变规律呈三e指数衰减:I2(t)=C0exp(-t/τ0)+C1[C01exp(-t/τ3)+C02exp(-t/τ4)],短寿命τ0为能级本征寿命,固定τ3=τ1、τ4=τ2,C0、C1为拟合权重系数;利用C01、C02、τ3、τ4对不同温度下的上能级上转换荧光的衰变曲线进行三e指数拟合,获得拟合参量C0和C1,FIR的修正系数为C0/(C0+C1)。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是:所述的温度为稀土离子掺杂的感温材料的温度敏感区间。其它与具体实施方式一至三之一相同。
通过以下实施例验证本发明的有益效果:
实施例一:本实施例一种上转换荧光强度比测温技术的修正方法,是按以下步骤进行的:一、980nm二极管激光发出的脉冲激发光经过凸透镜汇聚照射到镱离子和铥离子掺杂的感温材料上,镱离子和铥离子掺杂的感温材料所发射的上转换荧光通过另一凸透镜汇聚入射到计算机控制的光栅光谱仪中,其中计算机控制的光栅光谱仪采集的荧光光谱具有两个荧光发射峰,分别为铥离子两个相邻且存在热耦合关系的能级到下能级辐射跃迁所产生的荧光发射峰,稀土离子两个相邻且存在热耦合关系的能级中的上能级所发射的荧光波长为700nm,稀土离子两个相邻且存在热耦合关系的能级中的下能级所发射的荧光波长为800nm;二、将计算机控制的光栅光谱仪连接存储示波器,存储示波器进行不同温度下荧光衰变曲线的测量,得到不同温度下的铥离子700nm荧光衰变曲线和800nm的荧光衰变曲线;计算机进行数据处理,给出修正系数,修正后的荧光强度比为FIRc=FIR·C0/(C0+C1),得到修正曲线。
本实施例中稀土离子两个相邻且存在热耦合关系的能级中的下能级B辐射强度I1呈双e指数规律衰减:I1=C01exp(-t/τ1)+C02exp(-t/τ2),τ1和τ2为拟合的寿命,C01、C02为拟合权重系数,通过对不同温度下的下能级B荧光衰变曲线进行双e指数拟合,获得不同温度下的拟合寿命τ1和τ2;上能级辐射强度I2随时间t的衰变规律呈三e指数衰减:I2(t)=C0exp(-t/τ0)+C1[C01exp(-t/τ3)+C02exp(-t/τ4)],短寿命τ0为能级本征寿命,τ3=τ1,τ4=τ2,C0、C1为拟合权重系数;利用C01、C02、τ3、τ4对不同温度下的上能级上转换荧光的衰变曲线进行三e指数拟合,获得拟合参量C0和C1,FIR的修正系数为C0/(C0+C1)。
本实施例流程示意图如图1所示;铥离子3F2,3能级和3H4能级是一对具有热耦合关系的相邻能级,其荧光经过凸透镜汇聚耦合到光谱仪,经过光谱仪分析可以得到图2所示光谱,其中700nm荧光来源于3F2,3→3H6、800nm荧光源于3H4→3H6。图3为修正前FIR的温度依赖关系,可以看出修正前的FIR与波尔兹曼分布率在低温区域会有明显的偏差;图4为修正参数随温度的变化规律图。图5为修正后的铥离子700nm和800nm荧光的FIR曲线,可以看出修正后的FIR与波尔兹曼分布率无偏差。
由实施例可知,本发明的修正方法消除了荧光强度比与玻尔兹曼分布律的偏差,在保持了荧光强度比方法抗干扰能力强、稳定性好、灵敏度高的优点的同时,提高了其测温的准确度。
Claims (3)
1.一种上转换荧光强度比测温技术的修正方法,其特征在于它是按以下步骤进行的:一、980nm二极管激光发出的脉冲激发光经过凸透镜汇聚照射到稀土离子掺杂的感温材料上,稀土离子掺杂的感温材料所发射的上转换荧光通过另一凸透镜汇聚入射到计算机控制的光栅光谱仪中,其中计算机控制的光栅光谱仪采集的荧光光谱具有两个荧光发射峰,分别为稀土离子两个相邻且存在热耦合关系的能级到下能级辐射跃迁所产生的荧光发射峰,上能级A发射的荧光波长短于下能级B发射的波长;二、将计算机控制的光栅光谱仪连接存储示波器,存储示波器进行不同温度下荧光衰变曲线的测量,得到不同温度下的下能级B荧光衰变曲线和上能级A荧光衰变曲线;计算机进行数据处理,给出修正系数,修正后的荧光强度比为FIRc=FIR·C0/(C0+C1),得到修正曲线;其中所述的上能级A为稀土离子两个相邻且存在热耦合关系的能级中的上能级;下能级B为稀土离子两个相邻且存在热耦合关系的能级中的下能级;其中所述的修正系数的计算方法为:下能级B辐射强度I1呈双e指数规律衰减:I1=C01exp(-t/τ1)+C02exp(-t/τ2),τ1和τ2为拟合的寿命,C01、C02为拟合权重系数,通过对不同温度下的下能级B荧光衰变曲线进行双e指数拟合,获得不同温度下的拟合寿命τ1和τ2;上能级辐射强度I2随时间t的衰变规律呈三e指数衰减:I2(t)=C0exp(-t/τ0)+C1[C01exp(-t/τ3)+C02exp(-t/τ4)],短寿命τ0为能级本征寿命,固定τ3=τ1、τ4=τ2,C0、C1为拟合权重系数;利用C01、C02、τ3、τ4对不同温度下的上能级上转换荧光的衰变曲线进行三e指数拟合,获得拟合参量C0和C1,FIR的修正系数为C0/(C0+C1)。
2.根据权利要求1所述的一种上转换荧光强度比测温技术的修正方法,其特征在于所述的稀土离子掺杂的感温材料为镱离子与其他稀土离子共同掺杂的感温材料。
3.根据权利要求1或2所述的一种上转换荧光强度比测温技术的修正方法,其特征在于所述的温度为稀土离子掺杂的感温材料的温度敏感区间。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201510810135.9A CN105300563B (zh) | 2015-11-19 | 2015-11-19 | 一种上转换荧光强度比测温技术的修正方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201510810135.9A CN105300563B (zh) | 2015-11-19 | 2015-11-19 | 一种上转换荧光强度比测温技术的修正方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN105300563A CN105300563A (zh) | 2016-02-03 |
CN105300563B true CN105300563B (zh) | 2017-10-03 |
Family
ID=55198081
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201510810135.9A Active CN105300563B (zh) | 2015-11-19 | 2015-11-19 | 一种上转换荧光强度比测温技术的修正方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN105300563B (zh) |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108168726B (zh) * | 2016-12-08 | 2020-10-02 | 中国科学院福建物质结构研究所 | 一种测量固体激光器中增益介质内部温度的方法 |
CN107064753A (zh) * | 2017-03-23 | 2017-08-18 | 西南交通大学 | 弓网电弧等离子体多参数获取方法和装置 |
CN108692829B (zh) * | 2018-06-27 | 2020-07-10 | 上海达琪智能科技有限公司 | 基于荧光光纤的温度解调方法、装置及*** |
CN109540326B (zh) * | 2018-11-19 | 2020-11-27 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于双波长光源的荧光强度比测温方法 |
CN111521297B (zh) * | 2020-04-28 | 2021-04-06 | 北京航空航天大学 | 适用于磷光比光强法的光谱-温度标定装置及标定方法 |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5788374A (en) * | 1996-06-12 | 1998-08-04 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of Commerce | Method and apparatus for measuring the temperature of a liquid medium |
FR2806159A1 (fr) * | 2000-03-09 | 2001-09-14 | Lorraine Inst Nat Polytech | Procede et dispositif optique pour la mesure non intrusive de la temperature dans un liquide en ecoulement |
CN102798485A (zh) * | 2012-08-14 | 2012-11-28 | 厦门大学 | 一种基于上转换荧光粉的温度传感方法 |
CN104019921A (zh) * | 2014-06-18 | 2014-09-03 | 东南大学 | 一种基于上转换发光材料的温度指示方法 |
CN104371726A (zh) * | 2014-11-26 | 2015-02-25 | 中国计量学院 | 一种可用于温度传感的高温增强上转换荧光型纳米晶及其制备方法和应用 |
CN104535222A (zh) * | 2015-01-22 | 2015-04-22 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于三价镨离子发光特性的高灵敏度温度测量方法 |
-
2015
- 2015-11-19 CN CN201510810135.9A patent/CN105300563B/zh active Active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5788374A (en) * | 1996-06-12 | 1998-08-04 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of Commerce | Method and apparatus for measuring the temperature of a liquid medium |
FR2806159A1 (fr) * | 2000-03-09 | 2001-09-14 | Lorraine Inst Nat Polytech | Procede et dispositif optique pour la mesure non intrusive de la temperature dans un liquide en ecoulement |
CN102798485A (zh) * | 2012-08-14 | 2012-11-28 | 厦门大学 | 一种基于上转换荧光粉的温度传感方法 |
CN104019921A (zh) * | 2014-06-18 | 2014-09-03 | 东南大学 | 一种基于上转换发光材料的温度指示方法 |
CN104371726A (zh) * | 2014-11-26 | 2015-02-25 | 中国计量学院 | 一种可用于温度传感的高温增强上转换荧光型纳米晶及其制备方法和应用 |
CN104535222A (zh) * | 2015-01-22 | 2015-04-22 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于三价镨离子发光特性的高灵敏度温度测量方法 |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
基于稀土掺杂光纤荧光强度比的温度传感;包玉龙等;《光纤与电缆及其应用技术》;20101025(第5期);1-4 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN105300563A (zh) | 2016-02-03 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN105300563B (zh) | 一种上转换荧光强度比测温技术的修正方法 | |
CN105466592B (zh) | 一种下转换荧光强度比测温技术的修正方法 | |
Xu et al. | An optical temperature sensor based on the upconversion luminescence from Tm3+/Yb3+ codoped oxyfluoride glass ceramic | |
Pisarski et al. | Er3+/Yb3+ co-doped lead germanate glasses for up-conversion luminescence temperature sensors | |
CN105300555A (zh) | 一种基于荧光谱线增宽机制的荧光强度比测温方法 | |
Li et al. | Highly sensitive optical thermometry of Yb3+‐Er3+ codoped AgLa (MoO4) 2 green upconversion phosphor | |
CN110146194B (zh) | 一种基于混合感温材料的荧光强度比测温方法 | |
Klinkov et al. | Temperature sensor based on upconversion luminescence of Er3+-doped fluoroaluminate glasses | |
CN109341891B (zh) | 一种用于高灵敏度大范围温度探测的方法 | |
CN106908168B (zh) | 一种基于钕离子近红外荧光的高灵敏度温度传感方法 | |
CN102798485A (zh) | 一种基于上转换荧光粉的温度传感方法 | |
Zang et al. | Dy 3+ doped borate glasses for laser illumination | |
Chen et al. | Up-conversion luminescence and temperature sensing characteristics of Er 3+/Yb 3+ co-doped phosphate glasses | |
Sarumaha et al. | White light emission of Dy3+ doped oxy-fluoride phosphate glass system for active laser medium | |
Yu et al. | Review on an Advanced High‐Temperature Measurement Technology: The Optical Fiber Thermometry | |
Dagupati et al. | Er3+/Yb3+ co‐doped oxyfluoro tellurite glasses: Analysis of optical temperature sensing based on up‐conversion luminescence | |
Sales et al. | White light source and optical thermometry based on zinc-tellurite glass tri-doped with Tm3+/Er3+/Sm3+ | |
CN115820252A (zh) | 一种稀土掺杂的多激发光源光学测温型荧光粉及制备方法 | |
Zhang et al. | Optical temperature sensing of four modes by using CsPb (Cl/Br) 3 quantum dots and Tb3+ ions co-doping glass | |
Sujecki et al. | Experimental and numerical investigation to rationalize both near-infrared and mid-infrared spontaneous emission in Pr3+ doped selenide-chalcogenide fiber | |
CN206546219U (zh) | 基于稀土离子上转换荧光的光纤测温装置 | |
Babu et al. | Emission characteristics of holmium ions in fluoro-phosphate glasses for photonic applications | |
Li et al. | Multichannel transition emissions of Dy3+ in fiber-adaptive germanium tellurite glasses | |
Benrejeb et al. | Temperature sensor based on luminescence intensity ratio or whispering gallery modes in phosphate glass co-doped with Pr3+ and Yb3+ | |
Ma et al. | Two-dimensional axisymmetric opto-thermal phosphor modeling based on fluorescent radiative transfer equation |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |