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近十年来，掺杂稀土离子的上转换纳米颗粒（UCNP）由于其独特的性能，已成为一类重要的热传感荧光造影剂。它们的抗斯托克斯发光特性，在激发波长和发射波长处都接近热传感的最佳值，在各种UCNP应用中得到了广泛的研究。本文研究了不同稀土离子掺杂的粉末荧光材料与PMMA溶液共掺杂后的微波导发光性能。本文提出的微波导（UCNPs/PMMA）具有制备简单、成本低、可塑性强以及发射带多样等优点，进一步支持了其在光信号传输、传感器和光学元件等方面的应用。此外研究了上转换发光微波导的传输损耗、耦合效率、光子寿命随能级和灵敏度的衰减。实际上，UCNPs粉末或稀土掺杂的大块玻璃可以在较大的温度范围内制成有效的光学温度计。例如有利用NaYbF4:Tm3+@SiO2核壳微粒子在100-700K范围内的光学测温的报道。此外，在298-523K的温度范围内，验证了基于NaLuF4:Yb3+/Tm3+/Gd3+微晶的光学温度传感特性。PMMA波导的温度耐受上限在80℃左右，较高的环境温度会破坏波导的结构。本工作的目的还在于开发一种适合于表征各种稀土离子掺杂纳米材料的方法，并将其用于研究UCNP的热传感器的微波导中，并对激励方案进行优化，以方便它们在广泛的传感和UCNPs应用中的应用。
首先，采用X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）分析了稀土离子（RE3+）掺杂纳米材料的结构和表面形貌。从XRD结果来看，典型的衍射峰强度与掺杂物浓度RE3+离子相匹配。这一性质表明，置换离子（Yb3+、Tm3+和Er3+）使纳米材料具有适当的结晶性。此外，对制备的超细波导进行了扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）和能谱分析（EDX）。结果表明，纳米材料在波导中分布平滑且均匀。表面形貌分析结果良好。利用海洋光学QE Pro光谱仪研究了掺杂RE3+纳米材料的光学性能。但采用980nm滤光片克服了波导激光器的反射，所有掺杂RE3+的材料在可见光区均表现出较高的光学性能。
然后，在室温下进行了微波导的光致发光性能评价实验，分别用10x（NA=0.25）、20x（NA=0.35）和40x（NA=0.65）的物镜对制备的微波导的光致发光信号和发射光谱进行了采集。所有的超细波导都显示出强烈的辐射，包括绿光、蓝光和红光。值得注意的是，与不掺银波导相比，掺银波导的发光强度有所提高。绿光强度的增强归因于波导中银纳米粒子的存在。利用Lambert技术分析了微波导的发光特性。微波导在980nm激光光源激励下具有良好的导光性能，证明了微波导可以作为有源和无源波导。
其次，为进一步了解微波导的荧光特性及其效率，进行了微波导耦合实验。在980nm激光光源下，将耦合微波导调谐到不同角度，并在不同位置激发。用指数衰减函数拟合了测量的瞬态发射光谱。在耦合波导中，光的衰减分量是光在耦合波导中吸收的结果，而波导的亮度则反映了光的传输过程。因此，我们计算了耦合微波导的效率。
再次，利用能级图及光子寿命-衰减图研究了掺稀土RE3+纳米材料的非线性光学特性。激发形式是单基态离子连续吸收泵浦光子，当离子从基态激发到E1能级时，第二个泵浦光子将离子从E1态提升到更高的E2态，会在离子衰变到基态之前产生上转换发射，因此E2能级将发生上转换。镧系离子如Er3+、Ho3+、Tm3+和Nd3+都具有这样的能级结构。该分析提供了样品的非线性光学响应，以及样品在激光入射点区域和微波导表面激光点周围的非线性光学响应。通过分析，得到了980nm激光源下光子现象的非线性光学跃迁。从观测结果可以看出，发射的光子比吸收的光子具有更高的能量。
最后，利用荧光强度比（FIR）技术分析了掺稀土纳米材料在微波导中的非线性光热和传感性能。这项技术已经在包括磷样品在内的各种形式的大量传感材料上进行了研究。传感器材料与一系列其他波导传感器方案兼容。采用稀土掺杂的波导放大器和激光系统的发展带来的技术降低了成本，并增加了这些传感器的可用性。基于荧光的波导温度传感器已经显示出合理的测量分辨率同时覆盖相对较宽的测量范围的能力。荧光测温法利用的是材料在去除激发源后荧光衰减速率随温度的变化。这种温度依赖性已用作波导温度传感的一种手段，其温度范围为20℃-90℃，测量分辨率以摄氏度为单位。本文报道了用不同能级的erbium(Er),thulium(Tm)和ytterbium(Yb)离子在不同磷光材料中的荧光强度比来测量温度，结果表明它们与温度近似呈线性关系。基于波导的测量在20℃-90℃的温度范围内分辨率达几度。利用FIR技术对不同稀土离子和PMMA溶液共掺杂到多种晶体中制作的维波导进行了研究，并使用FIR方法进行温度传感研究。
本研究提供了各种掺杂稀土离子纳米材料的最佳合成技术，以及与PMMA溶液共掺杂后微波导的制备。详细讨论了微波导的光致发光行为、不同直径波导的耦合效率、纳米材料的衰减寿命以及能级图、可见区域的高灵敏度。所制备的微波导可以满足未来光伏、光电、生物医学、荧光、光学显示和传感器等领域的应用要求。特别是，与活化剂相比，敏化剂具有更大的吸收截面面积。因此，我们在纳米材料掺杂过程中使用了更多的敏化剂。强调了稀土离子掺杂材料对提高纳米材料在微波导中光学性能的重要性。因此，本研究的创新性在于利用多种稀土离子掺杂纳米材料在微波导中的光致发光特性、非线性光学耦合效率及其热传感行为等方面，对今后的研究工作具有重要的参考价值，是未来光电、光伏等领域非常有希望的研究对象。本文研究成果在照明、多色显示器、传感器、生物和光学热传感方面具有潜在的应用价值。
首先，采用X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）分析了稀土离子（RE3+）掺杂纳米材料的结构和表面形貌。从XRD结果来看，典型的衍射峰强度与掺杂物浓度RE3+离子相匹配。这一性质表明，置换离子（Yb3+、Tm3+和Er3+）使纳米材料具有适当的结晶性。此外，对制备的超细波导进行了扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）和能谱分析（EDX）。结果表明，纳米材料在波导中分布平滑且均匀。表面形貌分析结果良好。利用海洋光学QE Pro光谱仪研究了掺杂RE3+纳米材料的光学性能。但采用980nm滤光片克服了波导激光器的反射，所有掺杂RE3+的材料在可见光区均表现出较高的光学性能。
然后，在室温下进行了微波导的光致发光性能评价实验，分别用10x（NA=0.25）、20x（NA=0.35）和40x（NA=0.65）的物镜对制备的微波导的光致发光信号和发射光谱进行了采集。所有的超细波导都显示出强烈的辐射，包括绿光、蓝光和红光。值得注意的是，与不掺银波导相比，掺银波导的发光强度有所提高。绿光强度的增强归因于波导中银纳米粒子的存在。利用Lambert技术分析了微波导的发光特性。微波导在980nm激光光源激励下具有良好的导光性能，证明了微波导可以作为有源和无源波导。
其次，为进一步了解微波导的荧光特性及其效率，进行了微波导耦合实验。在980nm激光光源下，将耦合微波导调谐到不同角度，并在不同位置激发。用指数衰减函数拟合了测量的瞬态发射光谱。在耦合波导中，光的衰减分量是光在耦合波导中吸收的结果，而波导的亮度则反映了光的传输过程。因此，我们计算了耦合微波导的效率。
再次，利用能级图及光子寿命-衰减图研究了掺稀土RE3+纳米材料的非线性光学特性。激发形式是单基态离子连续吸收泵浦光子，当离子从基态激发到E1能级时，第二个泵浦光子将离子从E1态提升到更高的E2态，会在离子衰变到基态之前产生上转换发射，因此E2能级将发生上转换。镧系离子如Er3+、Ho3+、Tm3+和Nd3+都具有这样的能级结构。该分析提供了样品的非线性光学响应，以及样品在激光入射点区域和微波导表面激光点周围的非线性光学响应。通过分析，得到了980nm激光源下光子现象的非线性光学跃迁。从观测结果可以看出，发射的光子比吸收的光子具有更高的能量。
最后，利用荧光强度比（FIR）技术分析了掺稀土纳米材料在微波导中的非线性光热和传感性能。这项技术已经在包括磷样品在内的各种形式的大量传感材料上进行了研究。传感器材料与一系列其他波导传感器方案兼容。采用稀土掺杂的波导放大器和激光系统的发展带来的技术降低了成本，并增加了这些传感器的可用性。基于荧光的波导温度传感器已经显示出合理的测量分辨率同时覆盖相对较宽的测量范围的能力。荧光测温法利用的是材料在去除激发源后荧光衰减速率随温度的变化。这种温度依赖性已用作波导温度传感的一种手段，其温度范围为20℃-90℃，测量分辨率以摄氏度为单位。本文报道了用不同能级的erbium(Er),thulium(Tm)和ytterbium(Yb)离子在不同磷光材料中的荧光强度比来测量温度，结果表明它们与温度近似呈线性关系。基于波导的测量在20℃-90℃的温度范围内分辨率达几度。利用FIR技术对不同稀土离子和PMMA溶液共掺杂到多种晶体中制作的维波导进行了研究，并使用FIR方法进行温度传感研究。
本研究提供了各种掺杂稀土离子纳米材料的最佳合成技术，以及与PMMA溶液共掺杂后微波导的制备。详细讨论了微波导的光致发光行为、不同直径波导的耦合效率、纳米材料的衰减寿命以及能级图、可见区域的高灵敏度。所制备的微波导可以满足未来光伏、光电、生物医学、荧光、光学显示和传感器等领域的应用要求。特别是，与活化剂相比，敏化剂具有更大的吸收截面面积。因此，我们在纳米材料掺杂过程中使用了更多的敏化剂。强调了稀土离子掺杂材料对提高纳米材料在微波导中光学性能的重要性。因此，本研究的创新性在于利用多种稀土离子掺杂纳米材料在微波导中的光致发光特性、非线性光学耦合效率及其热传感行为等方面，对今后的研究工作具有重要的参考价值，是未来光电、光伏等领域非常有希望的研究对象。本文研究成果在照明、多色显示器、传感器、生物和光学热传感方面具有潜在的应用价值。