Cr3+离子掺杂镁铝尖晶石光纤荧光温度传感技术研究

论文摘要

光纤传感是利用光的波长、强度、偏振态、相位等特性来测量温度、位移、速度、加速度、转速、压力、液位、电流、湿度等物理量的技术。光纤传感器与普通传感器相比,具有抗电磁干扰、可分布式传感、电绝缘性好、物理化学性质稳定等优点,特别适用于环境恶劣或存在强电磁干扰等场合下的物理量测量,具有十分广阔的应用前景。本论文的研究对象是光纤温度传感器的一种,即荧光寿命型光纤温度传感器,更具体的说是以Cr3+掺杂镁铝尖晶石作为传感头材料的光纤荧光温度传感器。所以研究任务便是该种材料传感头的荧光温度特性,包括荧光强度随温度的变化关系、荧光寿命随温度的变化关系等。本文详细阐述了Cr3+离子在不同强度晶体场中的荧光温度特性的理论,结合尖晶石结构、尖晶石的晶体场强度、Cr3+离子在尖晶石材料结构中的能级分裂以及Tanabe-Sugan能级图等,从理论上分析了MgAl2O4:Cr3+的荧光温度特性。本文所涉及的传感头材料用激光加热基座法（简称LHPG法）制备,所用源棒由A1203（4N）,MgO（4N）,Cr203（4N）按照化学比例混合,经过碾磨、压制、烧结等工序得到。本文的传感头Cr3+离子掺杂浓度包括0.5 at.%、1 at.%、2at.%、3 at.%、4 at.%、5 at.%等。通过对样品的光谱测试得知,MgAl2O4:Cr3+与A1203：Cr3+的荧光光谱不同,这是由尖晶石和蓝宝石晶体结构的不同所造成。在掺Cr3+离子镁铝尖晶石中,Cr3+离子掺杂浓度的不同也会造成荧光光谱的细微变化,但是在波长分别405nm和520nm的LED泵浦光作用下传感头产生的荧光光谱几乎无任何区别。另外,经过测试不同温度下传感头的荧光光谱,我们得知荧光光强会随着温度的升高而减弱,并且本文将实验数据利用最小二乘法拟合得到了荧光最大峰值随温度变化的关系式。本文的重点是掺Cr3+离子镁铝尖晶石的荧光寿命随温度的变化关系,这是荧光寿命型光纤温度传感器的基本依据。荧光寿命型光纤温度传感器与荧光强度型光纤温度传感器相比具有的特点是不受泵浦光强度以及光传输损耗等影响,适合中低温度的测量。我们分别对每种Cr3+离子掺杂浓度传感头进行了荧光寿命的测量,测量温度范围为20℃到400℃,每10℃取一个点。本文结合实验数据和由理论分析得到的荧光寿命与温度的关系式,利用最小二乘法拟合得到了具体的荧光寿命随温度变化的关系式。经研究所知,在室温条件下随着Cr3+掺杂浓度从0.5%增加到5%,荧光寿命从13.8ms减小到7.2ms,结合荧光强度和荧光寿命温度特性可知,Cr3+掺杂浓度0.5at.%是最佳的。同时,在温度从室温升高到440C时,掺杂浓度为0.5 at.%的传感头荧光寿命从13.8ms降低到0.6ms,温度系数从0.043ms/℃下降到0.0049ms/℃。Cr3+掺杂尖晶石的荧光寿命几乎是红宝石的荧光寿命（4ms）的三倍,所以是一种潜力很大的荧光寿命型光纤温度敏感材料。分析表明导致Cr3+:MgAl2O4与红宝石的荧光温度特性不同的根本原因在于晶体结构的对称性差异。由于实验条件以及实验设计上的缺陷,荧光温度特性测量的温度范围和荧光寿命测温精度还有不足,影响实验数据精确度,有待下一步工作改进。另外,目前对其它尖晶石掺杂Cr3+作为光纤温度传感器材料的研究还很少,下一步我们可以尝试更多的尖晶石结构材料。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 光纤传感技术概述
• 1.1.1 光纤传感器的工作原理
• 1.1.2 光纤传感器的构成
• 1.1.3 光纤传感器的类型
• 1.1.4 光纤传感器的优点
• 1.2 光纤温度传感器
• 1.2.1 研究背景及意义
• 1.2.2 研究现状
• 1.2.3 光纤温度传感的应用领域
• 1.3 光纤荧光温度传感器
• 1.3.1 光纤荧光温度传感器的研究现状
• 3+离子单晶光纤荧光寿命温度传感器'>1.4 掺Cr³⁺离子单晶光纤荧光寿命温度传感器
• 1.5 类质同象的形成条件
• 1.6 本文主要内容
• 3+离子尖晶石的荧光寿命理论分析'>第二章 掺Cr³⁺离子尖晶石的荧光寿命理论分析
• 2.1 尖晶石型结构
• 3+离子在尖晶石结构中的能级特性'>2.2 Cr³⁺离子在尖晶石结构中的能级特性
• 2.2.1 过渡族离子在晶体场中的能级
• 3+离子d轨道的能级分裂'>2.2.2 Cr³⁺离子d轨道的能级分裂
• 3+离子在尖晶石结构中的能态'>2.2.3 Cr³⁺离子在尖晶石结构中的能态
• 3+离子掺杂镁铝尖晶石的荧光温度特性理论分析'>2.3 Cr³⁺离子掺杂镁铝尖晶石的荧光温度特性理论分析
• 3+离子在低强度场内的荧光温度特性'>2.3.1 Cr³⁺离子在低强度场内的荧光温度特性
• 3+离子在高强度场内的能态'>2.3.2 Cr³⁺离子在高强度场内的能态
• 第三章 材料的制备
• 3.1 源棒的制备
• 3.2 单晶光纤的生长
• 第四章 样品的性能测试
• 2O₄:Cr³⁺的光谱图'>4.1 MgAl₂O₄:Cr³⁺的光谱图
• 4.2 荧光光谱随温度的变化
• 4.2.1 光谱随温度的变化
• 4.2.2 最大峰值随温度的变化关系
• 4.2.3 荧光寿命与温度的关系测量
• 第五章 荧光寿命理论与实验结果的比较和分析
• 5.1 405nm泵浦光
• 5.1.1 光强与温度的关系
• 5.1.2 寿命与温度的关系
• 5.2 520nm泵浦光
• 5.2.1 光强与温度的关系
• 5.2.2 寿命与温度的关系
• 5.3 与红宝石荧光寿命温度特性的比较
• 第六章 结论
• 6.1 论文总结
• 6.2 本论文的不足
• 6.3 相关研究的展望
• 参考文献