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基于量子点荧光效应的纤温度传感器研究

基于量子点荧光效应的纤温度传感器研究

作者：阿特姆（Pershin Artem）东北大学

学位级别：硕士

温度传感器广泛应用于日常生活、工业生产、农业生产、航空航天、工程建筑等许多领域。目前,广泛使用的传统的电学传感器,例如:热电偶、热电阻等。诚然这些温度传感器具有成本低、结构简单、技术成熟、可靠性高等优点,但是这些传感器大... 详细信息

温度传感器广泛应用于日常生活、工业生产、农业生产、航空航天、工程建筑等许多领域。目前,广泛使用的传统的电学传感器,例如:热电偶、热电阻等。诚然这些温度传感器具有成本低、结构简单、技术成熟、可靠性高等优点,但是这些传感器大多数都是电学传感器,安全性较低,不适合应用于高危领域,例如高电压环境下。易燃易爆气体温度监测等等。而量子点填充的毛细石英玻璃管和空芯光纤(hollow-core fiber,HCF),通过利用量子点光致发光谱的峰值波长、峰值强度和半高全宽等许多光学参量随温度变化的特性,可以对温度进行监测。因此,本文基于CdSe量子点设计了一种新型的光纤荧光温度传感器,这种传感器具有抗电磁干扰、测温灵敏度高、分辨力高、动态范围宽和快速响应等优点,可适用于极端环境下的温度测量,具有较强的应用前景。本文提出了一种基于CdSe量子点填充的毛细石英玻璃管和HCF荧光温度传感器,即以CdSe量子点的荧光峰值波长、强度和半高宽度作为检测温度的特征参量,构成一种新型光纤荧光温度传感器,并对其进行较为深入的实验研究,具体工作如下:(1)选取导光机制不同的毛细石英玻璃管和空芯光纤,分别将CdSe量子点水溶液填充到毛细石英玻璃管中,采用波长为400nm的激光做为激发光源,激发填充在毛细玻璃管和HCF中的CdSe量子点产生荧光,并对其荧光特性进行分析。(2)根据CdSe量子点发射波长的相关参数,如峰值波长、峰值强度以及半高全宽与温度之间的理论关系,结合毛细石英玻璃管和HCF可填充的优点,设计了一种基于CdSe量子点填充的毛细石英玻璃管和HCF荧光温度传感器,研究了填充在毛细石英玻璃管和HCF中的CdSe量子点光致发光光谱(Photoluminescence,PL)的峰值强度、峰值波长和半高全宽等三个参量的温变特性。(3)理论结果表明随着温度的变化,CdSe量子点光致发光光谱的峰值强度呈现出规律性变化,同时CdSe量子点的光致发光光谱的峰值波长和半峰宽度也随温度变化,峰值波长随着温度的增加向着长波长方向移动,半峰宽度与温度为二次函数关系。本文选取尺寸分布为12纳米左右的CdSe量子点。实验结果表明在30-130℃温度变化范围内,填充在毛细石英玻璃管和HCF因此该传感器探头的长度仅为1毫米和2毫米左右中的CdSe量子点的发射光谱强度随着温度升高逐渐降低,而PL谱的峰值波长和半高全宽随着温度的升高而增大。分别CdSe量子点填充有的毛细石英玻璃管和HCF荧光温度传感器特别明显:制作传感探头。最后根据实验结果填充有CdSe量子点的HCF光纤荧光温度传感器透射式和反射式灵敏度分别为0.12nm/℃和0.11nm/℃,填充有CdSe量子点的毛细石英玻璃管光纤荧光温度传感器透射式和反射式灵敏度分别为0.13nm/℃和0.12nm/℃。实验结果表明此传感器可以实现对温度的测量。同时由于传感探头长度仅为1-2毫米,有望实现分布式测量。

关键词：荧光温度传感器 CdSe量子点空芯光纤毛细石英玻璃管

应用于光学温度传感器的Er3+/Yb3+共掺的YAG晶体的光热性能研究

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聊城大学学报（自然科学版） 2020年第2期33卷 73-77页

作者：明成国陈慧萱裴熳亭天津科技大学理学院

论文测量了在975 nm激光二极管激发下,Er^3+/Yb^3+共掺YAG晶体的上转换荧光光谱.实验结果表明:该晶体在波长为523、546和558 nm激发下出现强的上转换绿光,它们分别来自于Er ^3+离子跃迁:2H 11/2→4I15/2,4 S 3/2(1)→4I15/2和4S 3/2(2)... 详细信息

论文测量了在975 nm激光二极管激发下,Er^3+/Yb^3+共掺YAG晶体的上转换荧光光谱.实验结果表明:该晶体在波长为523、546和558 nm激发下出现强的上转换绿光,它们分别来自于Er ^3+离子跃迁:2H 11/2→4I15/2,4 S 3/2(1)→4I15/2和4S 3/2(2)→4I15/2.随着样品温度的增加,上转换绿光的强度比发生变化.基于荧光强度比2H 11/2/4 S3/2(1)和2H11/2/4 S 3/2(2),荧光温度传感器的灵敏度最大值为~0.0023 K^-1和~0.0017 K^-1.研究成果对荧光温度传感器的发展有很大程度上的帮助.

关键词：荧光温度传感器 Er^3+/Yb^3+共掺荧光

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光纤温度传感器的现状及发展

中国高新技术企业 2013年第12期 1-2页

作者：王鑫王艳平中国乐凯集团股份有限公司片基事业部河北大学药学院河北保定071000

文章在详细探讨光纤温度传感器对于温度探测工作起到的作用的基础上,分析了光纤温度传感器的现状以及未来发展应用。具体介绍了分布式光纤温度传感器、荧光温度传感器的理论来源和研究现状,借此来更加清楚地探究出不同种类的传感器,研... 详细信息

文章在详细探讨光纤温度传感器对于温度探测工作起到的作用的基础上,分析了光纤温度传感器的现状以及未来发展应用。具体介绍了分布式光纤温度传感器、荧光温度传感器的理论来源和研究现状,借此来更加清楚地探究出不同种类的传感器,研究了其未来的发展应用情况。

关键词：光纤传感分布式光纤温度传感器荧光温度传感器电磁干扰

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荧光寿命的锁相检测技术研究

半导体光电 2005年第4期26卷 359-361页

作者：武金玲王玉田燕山大学电气工程学院河北秦皇岛066004

针对光纤荧光温度传感器中影响系统精度的关键的荧光寿命检测技术进行研究,采用参考信号、用正弦信号来调制激励光源的锁相技术(PLD-AMSR)对荧光光纤温度传感器的荧光寿命进行检测,推导出测量荧光寿命的数学模型。该方法对激励光泄露有... 详细信息

针对光纤荧光温度传感器中影响系统精度的关键的荧光寿命检测技术进行研究,采用参考信号、用正弦信号来调制激励光源的锁相技术(PLD-AMSR)对荧光光纤温度传感器的荧光寿命进行检测,推导出测量荧光寿命的数学模型。该方法对激励光泄露有抑制作用,使测量精度有了显著提高。实验表明,该方法是有效的,达到了系统要求。

关键词：荧光温度传感器 PLD-AMSR 正弦调制

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荧光寿命的相敏检测技术的研究

传感技术学报 2004年第2期17卷 314-316页

作者：胡春海邹晓红王玉田燕山大学电气工程学院河北秦皇岛066004

针对光纤荧光温度传感器中影响系统精度的关键技术荧光寿命检测技术进行研究 ,用相敏检测技术对光纤荧光温度传感器的荧光寿命进行检测 ,提出了用希尔伯特变换技术改进基本的相敏检测技术 ,推导出了基于希尔伯特变换的荧光寿命相敏检测... 详细信息

针对光纤荧光温度传感器中影响系统精度的关键技术荧光寿命检测技术进行研究 ,用相敏检测技术对光纤荧光温度传感器的荧光寿命进行检测 ,提出了用希尔伯特变换技术改进基本的相敏检测技术 ,推导出了基于希尔伯特变换的荧光寿命相敏检测的数学模型 ,该方法省去了低通滤波器 ,对激励光泄漏有一定的抑制作用 ,试验表明 ,该方法是有效的 ,达到了系统的要求。

关键词：荧光温度传感器相敏检测技术希尔伯特变换

基于激发态分子内质子转移凝聚态强发光材料的设计及应用研究

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基于激发态分子内质子转移凝聚态强发光材料的设计及应用研究

作者：侯伟南京邮电大学

学位级别：硕士

基于激发态分子内质子转移(ESIPT)凝聚态强发光的材料具有斯托克斯(Stokes)位移大、光稳定性好、自猝灭低等优点,已经在物理、化学和生物科学领域引起了广泛关注。然而,目前基于ESIPT的材料往往是在蓝色和绿色区域发光。在本论文中,设... 详细信息

基于激发态分子内质子转移(ESIPT)凝聚态强发光的材料具有斯托克斯(Stokes)位移大、光稳定性好、自猝灭低等优点,已经在物理、化学和生物科学领域引起了广泛关注。然而,目前基于ESIPT的材料往往是在蓝色和绿色区域发光。在本论文中,设计合成了两种基于ESIPT的材料,通过扩展ESIPT的π共轭结构,实现ESIPT材料的发射颜色呈现长波段的橙光和红光发射,并且它们在有机电致发光二极管(OLED)和温度传感领域表现出优异的性能。具体研究内容如下:(1)设计并合成ESIPT红光材料HBT-BF和橙光材料HBT-TPA,对它们的分子结构进行了表征确认,通过溶剂化效应、稳态瞬态荧光光谱性质和密度泛函理论计算研究了这两种材料的基本光物理性质,发现两种材料均具有明显的杂化局域电荷转移激发态(HLCT)特征和凝聚态强发光性质。另外,研究了它们的热力学性质及电化学性质。两种材料均具有较好的热稳定性,HBT-BF的最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占分子轨道(LUMO)能级分别为-5.91 e V、-2.99 e V,HBT-TPA的HOMO和LUMO能级分别为-5.83 e V、-3.67 e V。这些工作为后期材料的相关应用奠定了基础。(2)将红光材料HBT-BF和橙光材料HBT-TPA分别应用到OLED中制备单分子红光和单分子橙光OLED,并对它们的器件结构进行优化。基于红光材料HBT-BF的器件最大外量子效率(EQE)为2.0%,发射的红色荧光峰值为625 nm,色坐标为(0.6162,0.3813),该器件实现了高效稳定的红光发射。基于HBT-TPA的掺杂橙光OLED具有优异的器件性能,最大EQE为2.0%,发射的橙色荧光峰值为576 nm,色坐标为(0.496,0.4848)。两个器件中的激子利用率分别达到43.2%和33.8%,超过了传统荧光OLED器件的最大极限值25%,这是因为HLCT激发态之间发生快速的高能级反向系间窜越,从而促进电致发光过程中三重态激子向单重态的转化。(3)研究红光材料HBT-BF的温度传感性质,探究其在荧光温度传感领域中的应用。HBT-BF在有机溶剂二乙二醇二甲醚(MOE)中表现出随温度升高荧光强度逐渐下降的特性,将其应用于温度传感,最大相对灵敏度(S)可达18.29%C。进一步研究了该材料在水和磷酸盐(PBS)缓冲液中纳米粒子的温度响应,研究了其温度传感性质。为了克服单波长荧光强度检测温度易于波动的缺点,将HBT-BF与一种耐温型的三芳基磷氧化合物C1掺杂制成非能量传递的比率型有机荧光温度传感器,在20-90C的宽温度范围内最大S为18.96%C,温度分辨率低于1C。在生理温度范围30-50C之间减少温度间隔进行细化研究,发现温度传感的最大S高达21.60%C,温度分辨率低至约0.4C,并且可以借助肉眼观测荧光颜色的变化来指示温度,具有巨大的应用潜力。

关键词：激发态分子内质子转移凝聚态强发光红光OLED 橙光OLED 荧光温度传感器