铒离子掺杂镓酸盐晶体温度传感器的实验研究

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1、铒离子掺杂镓酸盐晶体温度传感器的实验研究ExperimentalStudyofTemperatureSensorBasedonErbiumIonDopedGalliumGallateCrystal专业学位类别：光学工程作者姓名：孙宏雪指导教师：张德龙教授天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一七年十一月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做

2、的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要近年来，基于荧光强度比技术的光学温度传感器在工业生产、生物医学、科学研究等领域体现出潜在的应用价值。荧光强度比型

3、光学温度传感器基于相邻热耦合能级上荧光强度比值大小随温度变化的原理以实现温度测量。这种方法不受泵浦光源、外界环境波动以及探测器件的影响，能实现高精度的温度测量。光学温度传感器的传感性能不仅与稀土离子的种类有关，基质材料和泵浦光源的选择也是至关重要的。本文以镓酸盐晶体Gd3+3Ga5O12和SrGdGa3O7作为基质材料，Er作为稀土掺杂离子，选择980nmLD、488nm氙灯、384nmLED三种光源作为泵浦光源，对光学温度传感器的温度传感特性展开了深入研究。研究了基于Er:Gd3Ga5O12镓酸盐晶体在上转换光源980nmLD激发下的光学温度传感器特性

4、。利用光电池装置采集该晶体表面产生的绿色荧光，拟合荧光强度比在半对数坐标下随温度（300K-383K）的变化情况；分析光学温度传感器的信噪比、相对灵敏度和温度测量误差等性能参数；相对灵敏度在生理温度310K处达到10.8×10-3K-1，测量误差处于-1.2K~1.8K范围内，且信噪比较好；利用传统的光谱仪采集装置验证了光电池装置结果的可靠性，将镓酸盐晶体Gd3Ga5O12应用在温度传感领域，并证明了该晶体具有很好的应用前景。研究了基于Er:SrGdGa3O7镓酸盐晶体在上转换光源980nmLD泵浦下的温度传感器特性。利用光电池采集装置对SrGdGa3O

5、7晶体光学温度传感系统的信噪比、相对灵敏度和温度测量误差等性能参数进行表征，并用传统光谱仪采集装置验证光电池采集装置结果的可靠性。将SrGdGa3O7镓酸盐晶体应用在温度传感领域，并证明该晶体在温度传感领域具有很好的应用前景。研究了基于Er:SrGdGa3O7镓酸盐晶体在下转换光源488nm氙灯和384nmLED激发下的光学温度传感器特性。测量了Er3+掺杂SrGdGa3O7晶体的吸收光谱，根据吸收峰位置及强度，选择488nm氙灯和384nmLED作为光学温度传感器的泵浦光源；对比分析了Er3+掺杂SrGdGa3O7晶体的上转换发光和下转换发光机制。综合

6、SrGdGa3O7晶体分别在三种光源激发下温度传感器的温度传感特性、成本费用、和结构紧凑性等因素，提出了下转换光源384nmLED应用在温度传感系统中具有极大优势。关键词：光学温度传感器，荧光强度比技术，镓酸盐晶体，上转换发光，下转换发光IABSTRACTInrecentyears,theopticalthermometerbasedonthefluorescenceintensityratio(FIR)showsgreatapplicationpotentialinthefieldofindustrial,biomedicalandscientific

7、research.TheFIR-thermometerisbasedontheratioofthefluorescenceintensityoftwotemperature-dependentemissionsfromtwocloselythermo-coupledenergylevels.Itcanreducetheinfluenceofdifferentfactors,suchasthepumpsource,environmentfluctuationandthecollectiondetector.Moreover,itcouldachievehi

8、ghlyefficientsensingperformance.Theexcel