Er3 浓度对氟亚碲酸盐玻璃传感器光学温度的热敏性影响外文翻译资料

 2023-01-05 02:01

Er3 浓度对氟亚碲酸盐玻璃传感器光学温度的热敏性影响

Sergio F. Leoacute;n-Luisa, Ulises R. Rodriacute;guez-Mendozaa, Inocencio R. Martiacute;na, Emmanuel Lalla b, Viacute;ctor Laviacute;na,lowast;

摘要：Er3 浓度对氟亚碲酸盐玻璃中温度依赖性发光的影响为：在100-573 K范围内研究其作为光学温度传感器的应用。温度诱发与2H11 / 2和4S3 / 2转换相关的Er3 绿色发光强度的变化，通过掺杂三种浓度的（0.01,0.1和2.5mol％的Er3 离子）氟硼酸盐玻璃来校准到4I15 / 2基态的热化水平，并使用商业的cw488nm激光激发。这些强度，量子效率，线轮廓和荧光强度比热化的绿色发光水平高度更依赖于光学活性的Er3 浓度，由于存在辐射和非辐射能量，激光束激发玻璃的位置在Er3 离子之间转移过程。热敏电阻的最大值是通过测量得到的用最低浓度的Er3 离子掺杂的氟代碲酸盐玻璃，在541 K的79times;10-4 K-1，其中一个在文献中发现的最高值，并且非常接近采用Judd-Ofelt理论计算的理论热灵敏度。这项研究得出结论，光学温度传感器的校准基于Er3 离子强烈地受辐射能量转移过程的影响，因此应该使用相对较低的Er3 离子浓度来避免。

关键词：光学温度传感器； Er3 离子； 氟亚碲酸盐玻璃； 吸收； 发光； 能量转移； 热敏性

1.引言

过去几十年来，稀土（RE3 ）掺杂材料由于具有优异的发光性质而被广泛研究以及在光子和光电子领域的多种应用器件，如固体激光器，光纤通信，光学放大器，白光发生器，3-D显示器，光存储器，和光学传感器[1-4]。最近，人们越来越感兴趣在使用RE3 掺杂材料作为光学温度传感器时，特别是Er3 离子[5-9]，主要是由于它们的高电气被动性，电磁干扰可忽略不计，动态宽范围和复用能力[9]。另外，使用它们作为用于生物系统的纳米温度计是纳米技术领域的热门话题[5,6,10]。

RE3 光学温度传感器是基于间接的通过光谱校准测量温度光学活性离子在给定基质中的性质脉冲或连续波（cw）激发源。基于传感器脉冲激发源的校准使用的变化通过测量得到的发射电平与温度的寿命的发光衰减曲线[7]。使用cw时激励源，传感器是基于温度依赖性。

两个热耦合能级发射的变化[11,12]。在室温下发射较低能量水平一般比上一级要强。热量通过预热样品产生的能量使得一些可能兴奋的RE3 离子填充上层，从而增加其发射相对于低发射水平[13]。该种通过分析相对排放量的变化来进行校准热处理的强度与温度的关系样本[14,15]称为荧光强度比（FIR）技术。这种技术的优点是，它减少了测量条件，分辨率等不同因素的影响，和时间暴露等[7]。

不同的RE3 离子，如Pr3 ，Nd3 ，Sm3 ，Eu3 ，Ho3 或Er3 有耦合的能级满足这些标准用于光学温度传感器[9]。但是，最常见的使用的是Er3 离子，因为它具有耦合的能级，2H11 / 2和4S3 / 2，在18,500 cm-1（〜550 nm）附近有一个小的约800 cm-1的能隙，与数量级相同室温下的热能KBT（〜210 cm-1），相对而言高辐射发射效率的地面或第一兴奋的状态。而且，Er3 离子的绿色发光可以通过促进Er3 离子更容易被激发而获得使用商业激光在紫外—蓝光范围内或通过服用非线性红—绿上变频过程的优势，在800nm左右的红色范围内激发[11-13,16]。

在之前的一篇论文[17]中，作者证明了贾德-奥尔特理论预测，最佳的热化水平Er3 离子是绿色范围内的4S3 / 2，2H11 / 2→4I15 / 2跃迁，因为他们的可能性很大程度上取决于三个Judd-OfeltOmega;lambda;（Omega;= 2,4,6）参数，并且最好的主机也很大Omega;2和Omega;4的值以及Omega;6的小值。 因此主机矩阵对于高度扭曲的局部对称环境Er3 离子，高共价Er3 —配位键和强结晶场局部环境应该有很大的荧光强度比和热灵敏度。 这些要求很容易找到氧化物玻璃和正在研究的氟代碲酸盐玻璃。

但是，为了获得一个良好的Er3 光学温度传感器其他因素也必须考虑在内。 这项工作表明光学活性离子的浓度是相关的因素也决定了热化的相对排放水平和热敏性。相对较高的Er3 浓度可以通过有利于减少热化水平的总排放量能量转移过程，尤其是从能量转移过程中的排放因为Er3 离子可以重新吸收由此产生的发射在吸收和发射带与它们之间重叠振子强度高[18]。为了分析这个效果Er3 浓度对热敏性的影响，氟电解质的发光掺杂不同浓度的Er3 的玻璃是在100至573 K的宽温度范围内研究技术被用于校准这些样品作为光学温度传感器。

2.实验

本研究中使用的眼镜具有以下化学成分（摩尔％）：85 TeO2-10 PbF2-（5- x）AlF 3-x ErF 3（x = 0.01，1和2.5）。将约5克批次的原料混合并在1083 K的铂坩埚中充分熔融15分钟电炉采用空气气氛。 将熔体倒入预热钢板，然后在Tg（580K）温度以下退火持续12小时以避免压力。典型尺寸的棱镜10毫米times;5毫米times;1毫米，他们的脸都是仔细打磨光学测量。

Er3 掺杂样品的RT吸收光谱为用分光光度计（Perkin Elmer Lambda9）测量。该低温下的发光测量，从100到300 K，用氦连续流动低温恒温器进行。Ar 激光线的488nm激光线被用于激发激光样品，而发射则集中在耦合的光纤上到装备有单光栅光谱仪的入口狭缝采用180°配置的CCD检测器（Ocean Optics HR4000）即激发和检测是沿着这个方向进行的相同的光轴。高温下的发光测量，从300到573 K进行管状电炉。样品位于炉膛的中心以1 K / min的速率加热，仔细控制温度用K型热电偶与样品接触并连接到一个电压表（福禄克校准器714），分辨率为plusmn;0.7 K。488nm激光激发样品从一侧炉，而发射是由位于上的透镜准直另一边，然后与另一个镜头聚焦在同一个镜头上检测设置与低温测量一样。 在所有这些测量结果在所有样品中的激光路径为1毫米。

图1.不同激励下的发光测量实验装置在室温下在Er3 离子掺杂的氟亚碲酸盐玻璃内的位置使用低功率，连续波488nm激光辐射作为激发源。

为了测量Er3 的再吸收，这些玻璃，发光被一个透镜收集在一个配置中也就是已知的488nm cw激光激发的90°作为波导结构，如图1所示设置允许样品相对于激光激发被移位用千分尺控制线性平移台。一旦光子穿过，测量绿色发光一部分样品采用相同的检测设置用于可变温度测量。

值得注意的是，在这些实验设置中的力量的激光被最小化以避免加热样品所有的光谱都对仪器响应进行了校正。

3.荧光强度比（FOR）技术

荧光强度比率技术也称为FIR，在这项工作中被用来校准温度传感器[15,19]。两个发射带的密度很接近，被热化了能量水平被记录为温度的函数的主矩阵，并且如果激光功率足够低，则该比率这些强度的R与相对数量成正比所涉及的热化水平。这个比例可以描述使用简单的三级系统，基态E1越低激发能级E2和上激发能级E3（见图2）考虑到准热平衡下的分布，这些热化水平遵循波尔兹曼型分布[15,17,19]：

其中I 31和I 21是发射强度，即与成比例发射带下的区域，与从中转换有关热化的水平到基态; Ci（nu;）是的答案检测系统在排放的频率范围内热化的水平，这可以被认为等于统一自从对仪器响应校正发射光谱;hnu;i是排放水平的退化; 是平均光子每个带的能量，并成为一个CCD时的统一使用光子计数装置; A3和A2是自发的热化水平的辐射率和beta;31和beta;21表示从这些等级到等级的转换的分支比率基态; KB是玻尔兹曼常数; E32是平均值激发水平之间的能量差距，忽略了差异两个水平的斯托克斯位移并从吸收计算光谱。

图2.掺铒氟硼酸盐玻璃中Er3 离子的吸收光谱2.5mol％的Er3 ，以及部分Er3 能级方案。

基态吸收（GSA），发射转变（实线），非辐射共振交叉弛豫通道（用虚线表示为I和II）和辐射能量转移或再吸收通道（由hv连接的虚线）被显示。该最初由激光泵激发的铒离子表示为Er3 （1）和铒在发射的绿光的路径内聚光透镜的立体角中的离子光子表示为Er3 （2）。（用于解释在这里的颜色参考人物传说，读者可以参考文章的网页版。）

如上所述，Er3 离子具有一对能量水平，2H11 / 2和4S3 / 2的水平，在18,500cm-1左右（见图2），与一个小它们之间的能量差距是热能KBT at的大小室温（〜210cm-1）。 这种能量分离允许在高能量2H11 / 2能级中Er3 离子的数量增加以低能耗的4S3 / 2级为代价，从样品吸收热能。Er3 离子中兴奋的上层，以及那些处于较低兴奋层的层，通过发射绿色光子回到基态。

另一方面，用于技术和商业目的有必要定义一个参数，指出在哪个速率强度比R随温度而变化。 参数最能描述这种行为的是（绝对）温度灵敏度S定义[9,15,16]为：

和（相对）热灵敏度SR，计算为

4.结果与讨论

4.1吸收和发光

样品的室温吸收光谱在UV-VIS-NIR中测量掺杂有2.5mol％Er3 如图2所示，以及部分能级Er3 离子。 除了宿主的固有吸收之外矩阵，它在UV范围内显着增加，这个光谱由十个不均匀展宽的带组成从4I15 / 2开始的内部4f11-4f11转换基态到不同的激发水平。获得的光谱对于其他眼镜是相似的，除了下面的区域过渡带线性依赖于Er3 浓度。Judd-Ofelt理论[20-22]认为，RE3 离子的4f态之间的内部转变本质上是电偶极子，并且通过相互配置而被强制（4fN-1 nl）之间的相反奇偶波函数混合激发配置与4fN地面配置。此外，Judd和Ofelt得出了一个表达式来表示振子的强度这些转换可以与实验值进行比较的电偶极子跃迁振荡器强度获得从使用Smakula方程的吸收光谱。 后者与吸收带的强度（下面的区域）相关吸收带）具有振子强度或转移概率。

在Judd-Ofelt理论的框架内，吸收和任意两个之间的自发辐射发射概率状态可以作为三个参数（Omega;2，Omega;4和Omega;6）的函数来获得称为强度或Judd-Ofelt参数给定宿主基质中的RE3 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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