SE449666B

SE449666B - Fibre=optic temp. sensor

Info

Publication number: SE449666B
Application number: SE8504306A
Authority: SE
Inventors: E Holmberg; B Hok; E Janzen; H P Jenssen; L Tiderman; L Wiklund
Original assignee: Asea Ab
Priority date: 1985-09-17
Filing date: 1985-09-17
Publication date: 1987-05-11
Also published as: SE8504306D0; SE8504306L

Abstract

The sensor material has at least one permitted intermediate energy level (5,6) between its excited (7) and excited (8) states, and the resulting energy gaps (6-7, 6-5, 5-8) correspond to the max. permitted phonon energy in it, so that energy relaxation has, via fluorescence (4) and phonon emission (9,10,11) comparable probability in the actual temp. range. The material is placed in optical connection with the one end surface of the optic fibre, and at least two of its surfaces are brightly polished or similarly treated to provide total reflection of beams within a specific angle interval. It has a reflective lining on the main part of its surface directed towards the ambiance, and can be in powder form, enclosed in a tubular capsule provided with at least one reflecting lining.

Description

'G1 15 20 25 30 35 449 666 2 har minst en tillåten mellanliggande energinivå mellan sitt vilotillstånd och det exciterade tillståndet, samt att de därvid uppkomna energigapen korre- sponderar med den maximalt tillåtna fononenergin i sensormaerialet så att energirelaxation via fluorescens respektive fononemission i det aktuella temperaturområdet har jämförbar sannolikhet. Lösningen enligt ovan möjlig- görs genom att en hittills i sammanhanget outnyttjad fysikalisk mekanism användes, vilken i sin tur medger en betydligt bredare bas vid sökande efter sensormaterial med lämpliga egenskaper. Energiövergångarna enligt ovan krä- ver medverkan av fononer, vilket orsakar en kraftigt temperaturberoende övergångssannolikhet. Där blir ocksådet experimentellt observerbara avkling- ningsförloppet hos fluorescensen temperaturberoende. G1 15 20 25 30 35 449 666 2 has at least one permissible intermediate energy level between its quiescent state and the excited state, and that the resulting energy gaps correspond to the maximum permissible phonon energy in the sensor material so that energy relaxation via fluorescence and phonon emission in the current the temperature range has a comparable probability. The solution as above is made possible by using a hitherto unused physical mechanism, which in turn allows a much broader base when searching for sensor material with suitable properties. The energy transitions as above require the participation of phonons, which causes a strongly temperature-dependent transition probability. There, too, the experimentally observable decay process of the fluorescence becomes temperature-dependent.

Ett material med ovan nämnda önskvärda egenskaper är yttrium-litium-fluorid dopad med erbiumjoner. Detta material uppvisar dessutom andra goda egen- skaper av betydelse, t ex god resistens mot mekaniska och kemiska angrepp, hög smältpunkt, goda optiska egenskaper.A material with the above-mentioned desirable properties is yttrium lithium fluoride doped with erbium ions. This material also exhibits other good properties of importance, such as good resistance to mechanical and chemical attack, high melting point, good optical properties.

Uppfinningen är närmare exemplífierad i bifogade figurer, av vilka figur 1a visar ett energínivådiagram, figur lb en utförandeform av temperatursensorn enligt uppfinningen. Figur 1c visar ett energi-nivådiagram. Figur 2a visar en utförandeform, där sensormaterialet utgöres av en tunn skiva, och figur 2b visar ytterligare en utförandeform, där sensormaterialet finfördelats i pul- verform.The invention is further exemplified in the accompanying figures, of which figure 1a shows an energy level diagram, figure 1b an embodiment of the temperature sensor according to the invention. Figure 1c shows an energy level diagram. Figure 2a shows an embodiment, where the sensor material consists of a thin disc, and Figure 2b shows a further embodiment, where the sensor material is comminuted in powder form.

Den utnyttjade fysikaliska mekanismen illustreras lämpligen i form av ett energinivådiagram, se figur 1a. Sensormaterialet befinner sig normalt i ett energetiskt grundtillstånd, nivån 7_i figur 1a. Vid absorption av optisk energi eller fotoner 3 exciteras sensormaterialet till ett högre energitillstånd 8. Övergången från grundtillståndet 7 till det exciterade tillståndet 8 kan antingen ske direkt eller i flera steg, varigenom andra tillåtna energitillstånd temporärt besättes. Genom olika slag av energi- överförande processer kan materialet ändå hamna i det metastabila excite- rade tillståndet 8.The physical mechanism used is suitably illustrated in the form of an energy level diagram, see Figure 1a. The sensor material is normally in an energetic ground state, level 7 in Figure 1a. Upon absorption of optical energy or photons 3, the sensor material is excited to a higher energy state 8. The transition from the ground state 7 to the excited state 8 can take place either directly or in several steps, whereby other permissible energy states are temporarily occupied. Through various types of energy transfer processes, the material can still end up in the metastable excited state 8.

De figur 1a inritade pilarna avser elektronrörelse från olika energitill- stånd. I elektriskt isolerande material är energitillstånden lokala, dvs elektronernas, och därmed energin, är lokaliserad på atomär'nívå. L ledande och halvledande material däremot, kan energinivåerna utsträckas över makro- ' skopiska avstånd; u 20 f\) uu 449 666 Det kännetecknande för det fluorescerande materialet är att energiövergångar från det exciterade tillståndet 8 till grundtíllståndet 7 (eller annat till- stånd med lägre energi än nivån 8) kan äga rum under utsändande av optisk energi, fotoner H. Sannolikheten för en sådan övergång bestäms av ofta rela- tivt komplicerade kvantmekaniska samband. Dessa bestäms bl a av de i sensor- materialet ingående atomernas eller jonernas egenskaper, de atomära bind- ningarnas natur samt kristallsymmetrin.The arrows drawn in Figure 1a refer to electron movement from different energy states. In electrically insulating materials, the energy states are local, ie the electrons, and thus the energy, are located at the atomic level. In conductive and semiconducting materials, on the other hand, energy levels can be extended over macroscopic distances; 449 666 The characteristic of the fluorescent material is that energy transitions from the excited state 8 to the ground state 7 (or other state with energy lower than level 8) can take place during the emission of optical energy, photons H. The probability of such a transition is determined by often relatively complicated quantum mechanical relationships. These are determined, among other things, by the properties of the atoms or ions contained in the sensor material, the nature of the atomic bonds and the crystal symmetry.

Utöver den fluorescerande energiövergången mellan tíllstånden 8 och 7 kan även icke-strålande processer äga rum. Energin överföres då till termisk energi i form av vibrationstillstånd i kristallgittret. Liksom optisk energi är kvantiserad i fotoner är vibrationsenergin kvantiserad is k fononer. En introduktion till fononteorin återfinns t ex i C. Kittel "Introduction to Solid State Physics", 3rd ed., Wiley, New York 1968, sid 131 f. Av denna framgår att det i varje material finns en maximalt tillåten fononenergi, som bestäms bl a av de i materialet ingående atomernas masstal. I allmänhet är denna maximalenergi betydligt lägre än de optiska energier som utnyttjas 1 fiberoptiska sensorer. För en direkt övergång från tillståndet 8 till till- ståndet 7 måste energin sålunda uppdelas i ett antal delkvanta. Enligt teo- rin för dessa energiövergångar minskar sannolikheten för en potensfunktion, där potensen ges av antalet delkvanta. I realiteten innebär detta att di- rekta övergångar från tillståndet 8 till 7 med fononemission är synnerligen osannolika.In addition to the fluorescent energy transition between states 8 and 7, non-radiating processes can also take place. The energy is then transferred to thermal energy in the form of vibrational states in the crystal lattice. Just as optical energy is quantized in photons, vibrational energy is quantized in phonons. An introduction to phonon theory can be found, for example, in C. Kittel "Introduction to Solid State Physics", 3rd ed., Wiley, New York 1968, page 131 f. From this it appears that in each material there is a maximum permissible phonon energy, which is determined e.g. a of the mass numbers of the atoms included in the material. In general, this maximum energy is significantly lower than the optical energies used in fiber optic sensors. For a direct transition from state 8 to state 7, the energy must thus be divided into a number of subquanta. According to the theory of these energy transitions, the probability of a power function decreases, where the power is given by the number of subquanta. In reality, this means that direct transitions from state 8 to 7 with phonon emission are extremely unlikely.

Situationen förändras emellertid, om det finns ett eller flera tillåtna energitillstånd 5, 6, belägna mellan grundtillståndet 7 och det exciterade tillståndet 8. Då kan fononemissionen delas upp i mindre steg 9, 10, 11, med färre antal inblandade fononer per steg. Därigenom blir processens sannolikhet större.However, the situation changes if there is one or more permissible energy states 5, 6, located between the ground state 7 and the excited state 8. Then the phonon emission can be divided into smaller stages 9, 10, 11, with fewer numbers of phonons involved per stage. This increases the probability of the process.

Sannolikheten för att en viss energiövergång äger rum under en viss tid är omvänt proportionellt mot energiövergångens s k livstid. I fluoresce- rande material är den totala livstiden för det exciterade tillståndet 8 lätt att experimentellt observera genom att studera fluorescensens avkling- ningsförlopp. Med de ovan beskrivna två processerna får vi_ 1/1 + 1/I tot = 1/Tfoton fonon 30 35 449 see _ H 1/:tot är den experimentellt observerbara livstiden, 1/tfoton är övergangs- sannolikheten för den fotonemitterande (fluorescerande) processen och 1/1 övergångssannolikheten för den fononemitterande processen. fonon Eftersom kristallvibrationer (fononer) även_är ett uttryck för termisk J) energi i en kristall, kommer kristalltemperaturen att ha inflytande på fononprocessens sannolikhet, dvs 1 Om 1 och är av samma fonon' foton Tfonon storleksordning, blir den observerade livstiden rtot då temperaturberoende.The probability that a certain energy transition takes place during a certain time is inversely proportional to the so-called lifetime of the energy transition. In fluorescent materials, the total lifetime of the excited state 8 is easy to observe experimentally by studying the decay process of fluorescence. With the two processes described above, we get 1/1 + 1 / I tot = 1 / Tphoton phonon 30 35 449 see _ H 1 /: tot is the experimentally observable lifetime, 1 / tphoton is the transition probability of the photon emitting (fluorescent) process and the 1/1 transition probability of the phonon emitting process. phonon Since crystal vibrations (phonons) are also an expression of thermal J) energy in a crystal, the crystal temperature will have an influence on the probability of the phonon process, ie 1 If 1 and is of the same phonon 'photon Tfonon order of magnitude, the observed lifetime will then be temperature dependent.

'Ir I den ovan beskrivna principiella mekanismen saknar koncentrationen av den fluorescerande jonen betydelse för förloppet. Vid höga koncentrationer eller närvaro av andra joner med energinivåer i eller kring det aktuella energi- intervallet kan temperaturens inverkan på livstiden styras av andra faktorer.In the principle mechanism described above, the concentration of the fluorescent ion is irrelevant to the process. At high concentrations or the presence of other ions with energy levels in or around the current energy range, the effect of temperature on life can be controlled by other factors.

I figur 1c visas ett energínivådiagram, där en exciterad jon (figurens vänstra del) överför energi till en grannjon (figurens högra del) via ett fenomen, som brukar kallas "cross-relaxation". Jonerna har i detta fall även en ovanför liggande energinivå 21, till vilken elektroner kan excite- ras via optisk absorption 3 till excitationsnivån 8 och termisk excitation 22, vilket kräver medverkan av gittervibrationer (fononer). Om energiavstån- det mellan nivån 21 och grundtillståndet 7 delas i tvâ relativt lika stora energigap av en mellanliggande nivå 5, kan energiurladdning ske genom att den exciterade jonen deexciteras till nivån 5 samtidigt som grannjonen exci- teras till denna nivå. Ätergång sker därefter till grundtillståndet 7 i båda jonerna. Sannolikheten för det ovan beskrivna förloppet är beroende dels av energiavståndet mellan nivåerna 8 och 21, temperaturen, eller annorlunda ut- tryckt, tillgången på fononer av tillräcklig energi för övergången 22, samt jonkoncentrationen.Figure 1c shows an energy level diagram, where an excited ion (the left part of the figure) transfers energy to a neighbor ion (the right part of the figure) via a phenomenon, which is usually called "cross-relaxation". In this case, the ions also have an above-mentioned energy level 21, to which electrons can be excited via optical absorption 3 to the excitation level 8 and thermal excitation 22, which requires the participation of lattice vibrations (phonons). If the energy distance between level 21 and the ground state 7 is divided into two relatively equal energy gaps of an intermediate level 5, energy discharge can take place by de-exciting the excited ion to level 5 at the same time as the neighboring ion is excited to this level. Return then takes place to the basic state 7 in both ions. The probability of the process described above depends partly on the energy distance between levels 8 and 21, the temperature, or in other words, the availability of phonons of sufficient energy for the transition 22, and the ion concentration.

Det finns en mångfald fluorescerande material och kombinationer av material som kan ges det principiella energidiagrammet enligt figur Ia och 10. Den fluorescerande övergången och de mellanliggande nivåerna 5, 6 behöver inte härröra från samma delkomponent i materialet. Man kan sålunda dopa en värd- kristall dels med en fluorescerande jon, dels med en eller flera joner eller komplex, som bildar de mellanliggande nivåerna.There are a variety of fluorescent materials and combinations of materials that can be given the principal energy diagram of Figures 1a and 10. The fluorescent transition and the intermediate levels 5, 6 need not be derived from the same subcomponent of the material. One can thus dop a host crystal partly with a fluorescent ion, partly with one or more ions or complexes, which form the intermediate levels.

Den ovan beskrivna, grundläggande mekanismen ger stor frihet i val av senscrmaterial. Värdkristallen kan väljas utifrån krav på god mekanisk, 19 termisk och kemisk beständighet samt formbarhet. De erforderliga fluore- scensegenskaperna tillhandahålls genom dopning med måttliga koncentratio- ner av joner av sällsynta jordartsmetaller, vilka har väl dokumenterade energidiagram. En lämplig materialkombination har visat sig vara yttrium- litíum-fluorid med erbium som fluorescerande jon.The basic mechanism described above provides great freedom in the selection of sensor materials. The host crystal can be selected based on requirements for good mechanical, thermal and chemical resistance and formability. The required fluorescence properties are provided by doping with moderate concentrations of ions of rare earth metals, which have well-documented energy diagrams. A suitable material combination has been found to be yttrium lithium fluoride with erbium as the fluorescent ion.

Claims

g 10 15 20 449 666 Figur 1b visar en utförandeform av temperatursensorn enligt uppfinningen. Infallande ljusstrålar 19 leds genom totalreflexion på känt sätt i den optiska fibern 2 fram till sensormaterialet 1, som placerats intill fiber- ändytan. Sensormaterialet har polerats så att totalreflexion 13 även äger rum i dess yta och håller kvar den optiska energin i materialet 1 till dess att absorption sker och återemission av det fluorescerande ljuset 20 tillbaka in i fiber 1 för mottagning och signalbehandling i fiberns 1 andra ände. Ett fästelement, t ex ett glasrör 12, användes för fixering av sensormaterialet 1 mot fibern 2. Svetsning eller limning är föredragna fixeringsmetoder. Alternativa utförandeformer är avbildade i figur 2 a och b. Figur 2a visar en utförandeform, där sensormaterialet utgöres av en tunn skiva, som via fästelement 15 anbringats mot fiberändytan. För att tillräckliga absorp- tionssträckor skall uppnås, har skivan belagts med reflekterande belägg- ningar 14, varigenom ljuset även i detta fall hålls kvar i materialet tills absorption äger rum. Typiska värden på absorptionssträckor är 2-3 mm, medan fiberns kärndiameter endast är 0,1 mm. Den reflekterande beläggningen 14 har alltså som uppgift att minska de optiska förlusterna till omgivningen. Figur 2b visar ytterligare en utförandeform, där sensormaterialet 1 finför- delats i pulverform 17 och införts i en sluten cylindrisk kapsel 16 med reflekterande beläggning 18 för att medge lång absorptionssträcka. Uppfinningen kan varieras på mångahanda sätt inom ramen för nedanstående patentkrav. PATENTKRAV449 666 Figure 1b shows an embodiment of the temperature sensor according to the invention. Incident light beams 19 are guided by total reflection in a known manner in the optical fiber 2 up to the sensor material 1, which is placed next to the fiber end surface. The sensor material has been polished so that total reflection 13 also takes place in its surface and retains the optical energy in the material 1 until absorption and re-emission of the fluorescent light 20 back into the fiber 1 for reception and signal processing at the other end of the fiber 1. A fastening element, for example a glass tube 12, is used for fixing the sensor material 1 to the fiber 2. Welding or gluing are preferred fixing methods. Alternative embodiments are depicted in Figures 2 a and b. Figure 2a shows an embodiment in which the sensor material consists of a thin disc, which is applied to the fiber end surface via fastening elements 15. In order to achieve sufficient absorption distances, the disc has been coated with reflective coatings 14, whereby the light is also retained in the material until absorption takes place. Typical values of absorption distances are 2-3 mm, while the core diameter of the fiber is only 0.1 mm. The reflective coating 14 thus has the task of reducing the optical losses to the environment. Figure 2b shows a further embodiment, where the sensor material 1 is atomized in powder form 17 and inserted into a closed cylindrical capsule 16 with reflective coating 18 to allow long absorption distance. The invention can be varied in many ways within the scope of the following claims. PATENT REQUIREMENTS

1. Fiberoptisk temperatursensor för optisk avkänning av ett temperatur- mätvärde, innehållande minst ett fluorescerande sensormaterínl (1), vars fluorescensavklíngning på ett förutsägbart sätt beror av temperaturen, samt minst en optisk fiber (2) för transmission av dels exciterande optisk energi (3) till det fluorescerande sensormaterialet (1), dels fluorescens- ljus (H) från sensormaterialet (1), k ä n n e t e c k n a d därav, att sensormaterialet (1) har minst en tillåten mellanliggande energinivå (5, 6) mellan sitt vilotillstånd (7) och det exciterade tillståndet (8), samt att de därvid uppkomna energígapen (6-7, 6-5, 5-8) korresponderar mot den maxi- malt tillåtna fononenergin i sensormaterialet (1) så att energirelaxation via fluorescens (H) respektive fononemission (9, 10, 11) i det aktuella temperaturområdet har jämförbar sannolikhet. 449 666Fiber optic temperature sensor for optical sensing of a temperature measured value, containing at least one fluorescent sensor material (1), whose fluorescence attenuation depends in a predictable manner on the temperature, and at least one optical fiber (2) for transmission of partly exciting optical energy (3) to the fluorescent sensor material (1), partly fluorescent light (H) from the sensor material (1), characterized in that the sensor material (1) has at least one permissible intermediate energy level (5, 6) between its dormant state (7) and the excited state (8), and that the resulting energy gaps (6-7, 6-5, 5-8) correspond to the maximum allowable phonon energy in the sensor material (1) so that energy relaxation via fluorescence (H) and phonon emission (9) , 10, 11) in the current temperature range have a comparable probability. 449 666

2. Fiberoptisk temperatursensor enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k - n a d därav, att sensormaterialet (1) är placerat i optisk förbindelse med den optiska fiberns (2) ena ändyta, samt att minst två ytor av sensor- materialet (1) är blankpolerade eller på annat sätt behandlade för att ge totalreflexion (13) av strålar inom ett visst vinkelintervall.Fiber optic temperature sensor according to claim 1, characterized in that the sensor material (1) is placed in optical connection with one end surface of the optical fiber (2), and that at least two surfaces of the sensor material (1) are polished or otherwise treated to give total reflection (13) of rays within a certain angular range.

3. Fiberoptisk temperatursensor enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k - n a d därav, att sensormaterialet (1) försetts med en reflekterande be- 'u läggning (14) på huvuddelen av sin mot omgivningen riktade yta. Ä.3. A fiber optic temperature sensor according to claim 1, characterized in that the sensor material (1) is provided with a reflective coating (14) on the main part of its surface facing the environment. Ä.

4. Fiberoptisk temperatursensor enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k - n a d därav, att sensormaterialet (1) Föreligger i pulverform (17), och att det inneslutits i en rörformad kapsel (16), vilken är försedd med minst en reflekterande beläggning (18).Fiber optic temperature sensor according to claim 1, characterized in that the sensor material (1) is in powder form (17), and that it is enclosed in a tubular capsule (16), which is provided with at least one reflective coating (18). .

5. Fiberoptisk temperaturgivare enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k - n a d därav, att sensormaterialet (1) innehåller identifierbara delkompo- nenter, ur vilka uppkomsten av fluorescens (H) och fononemission (9, 10, 11) via mellanliggande tillstånd (5, 6) kan härledas ur delkomponenternas atomära egenskaper.Fiber optic temperature sensor according to Claim 1, characterized in that the sensor material (1) contains identifiable sub-components, from which the origin of fluorescence (H) and phonon emission (9, 10, 11) via intermediate states (5, 6 ) can be deduced from the atomic properties of the components.

6. Fiberoptisk temperaturgivare enligt patentkrav 5, k ä n n e t e c k - n a d därav, att delkomponenterna utgöres av joner av övergångsmetaller_ eller sällsynta jordartsmetaller, t ex nickel, krom, järn, vanadin, neodym, erbium, holmíum, ytterbium, europium.Fiber optic temperature sensor according to claim 5, characterized in that the sub-components consist of ions of transition metals or rare earth metals, for example nickel, chromium, iron, vanadium, neodymium, erbium, holmium, ytterbium, europium.

7. Fiberoptisk temperaturgivare enligt patentkrav 6, k ä n n e t e c k - n a d därav, att sensormaterialet utgöres av erbiumdopad yttrium-litium- fluorid.Fiber optic temperature sensor according to claim 6, characterized in that the sensor material consists of erbium-doped yttrium-lithium fluoride.

8. Fiberoptisk temperaturgivare enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k - n a d därav, att sensormaterialet (1) via termisk excitation (22) från det optiskt exciterade tillståndet (8) är anordnat att uppnå ett ytterligare förhöjt excitationstillstånd (21), varifrån deexcitation till grundtillstån- det sker via växelverkan mellan närliggande joner i sensormaterialet (1). iFiber optic temperature sensor according to claim 1, characterized in that the sensor material (1) is arranged via thermal excitation (22) from the optically excited state (8) to achieve a further elevated excitation state (21), from which deexcitation to ground state this takes place via the interaction between adjacent ions in the sensor material (1). in