稀土掺杂钨碲酸盐玻璃的制备及其温度传感特性

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随着信息测量技术产品在全球信息化进程中发挥着不可或缺的关键作用,传感技术的进步已成为当今新技术革命和信息社会的关键因素。近年来,伴随着工业领域温度控制和监测要求的不断提高,新型光纤温度传感器不断涌现,例如半导体吸收型、F-P干涉型、光纤光栅(FBG)、分布式等。其中,荧光光纤温度荧光测温技术是光纤技术和荧光材料相结合的产物,由于具有可以抗电磁干扰、结构简单、成本低的优点,引起了科研界广泛的关注。荧光温度传感器的研究核心是荧光材料,例如稀土掺杂的荧光材料,其在激励光激发下辐射出波长更长的可见光,即荧光。荧光材料的选择决定了传感器的温度范围、灵敏度和稳定性。钨碲酸盐玻璃声子能量低、熔化温度低、折射指数高、稀土掺杂溶解度等优良特性,是传感器应用的首选材料。本文针对这一问题基于荧光强度比技术为基础设计和搭建了一种新型点式全光纤温度传感装置。(1)采用高温固相反应法制备了钨碲锗玻璃,X-ray衍射图样(XRD)确认了玻璃的形态,通过差热和拉曼测试,证明钨碲锗玻璃具有高的化学稳定性和热稳定性。实验中用它来校准温度计,温度计的可操作温度范围为300-600K,在此温度范围内,它显示出优异的线性度(r2>0.99)和很小的精确度。通过优化Er3+浓度,我们可以获得高绿色辐射强度和探针的高热灵敏度,拟合的最高温度灵敏度在560K时为97.8×10-4K-1。表明用钨碲锗为敏感材料制作的探针显示出更适合作为温度传感器应用的优越性能。(2)采用高温固相反应法制备了Er3+/Yb3+共掺的钨碲镧钠玻璃,XRD和荧光光谱测试用于确定形成玻璃相和计算温度传感灵敏度。钨碲镧钠玻璃的玻璃转化温度高(Tg=439℃)能扩大温度测量范围。对Eu3+离子Judd-Ofelt理论的光谱分析表明稀土离子位于钨碲镧钠玻璃的低对称环境中,进一步预期荧光强度比会有很大的变化且灵敏感性会提高。Er3+/Yb3+共掺杂的钨碲镧钠玻璃纤维在980nm的激励下很容易被观察到,尽管在很低的低泵功率(1.4 mW)下。便携式全光纤温度计的最大温度灵敏度达到了86.7×10-4 K,在温度553 K处。通过实验结果表明,在温度范围285-564K内,绝对误差在1K左右。(3)设计并搭建了一种新型点式全光纤温度传感装置,其装置由980nm光纤激光器、波分复用器(WDM)、光谱仪及计算机显示组成。温度探测探头使用荧光材料玻璃丝与传感光纤直接熔接技术,极大地提高了光纤温度传感探头的稳定性。在1mW的980nm泵浦光下,可以观察到明亮的绿光。
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