稀土荧光压谱技术的增敏及荧光信号处理方法研究

本项目将具备膨胀晶格的纳米荧光材料用于压谱技术，以获得更高的灵敏度。在分析光谱数据时，用稀土离子(2S+1)L(J)能级的重心代替荧光峰位置用于传感，以解决荧光谱线重叠时无法准确测量谱线波长的问题，进而从实验规律中得出能级重心位置~配位键长（或晶格常数）的关系方程；同时计算(2S+1)L(J)能级分裂的宽度，根据晶体配位场理论中晶体场能级参量的强度对离子-配体距离的依赖关系，拟合出能级分裂宽度~晶格常数关系方程。然后以这两个关系方程的任何一个为基础，结合弹性模量等材料常数，推导出压力传感方程。最后将这两个传感方程和用常规的压谱技术方法数学拟合出的经验压力方程一起作对比验证。.预计本项目方案能显著增敏压谱效应，得到的压谱传感规律可以分别用电子云膨胀效应、晶体场理论验算，比经验压力传感方程更严格。项目的研究能发展荧光压谱技术的理论和实验方法，适合应用于压力、应力的无损检测。

非接触监测结构应力的手段非常匮乏，现行的X射线衍射法、拉曼光谱法、荧光光谱法都还是实验室方法，应力分辨率低、设备要求高，难以推广工业现场应用。工业上，尤其航空工业的强度试验迫切需要能够替代应变片测量的新型方法。. 项目计划对荧光压谱技术的原理、方法进行探索研究，寄望于通过纳米化方式获得晶格软化的敏感材料，进而提高压谱系数；用能级重心替代谱峰波长作为荧光压谱方法检测的信号，以降低测试对光谱系统分辨率的要求；或用能级劈裂宽度作为应力传感信号；考虑到温度与应力相似地改变荧光材料的晶格常数，实验中兼顾研究温度对荧光光谱的影响。. 在实际研究中使用了不同的镧系稀土无机荧光材料、并进一步延伸到有机发光材料的应用，分析了它们的温敏、力敏荧光光谱，观察谱带重心波长、自参考强度比等荧光特征随温度或应力的变化，并与常用的荧光光谱特征参数例如谱峰波长、半高全宽等进行对比，每个不同材料都得到了用于温度或应力传感的多个传感方程。其中关键的进展有：.1）提出并实验验证了荧光温度传感的三种新型方法，包括：荧光过程中存在声子协助能量传递时，某些谱线的荧光强度比可用于测温；宽带荧光光谱的谱带位置可以用谱带重心来表示，它的温敏频移比谱峰频移的传感精度高至少一个量级；变温时宽带荧光光谱的谱型变化，使得还可以从谱带范围内灵活地选取成对波长，每组波长的强度比也能用于温度传感。.2）提出并实验验证了荧光应力传感的谱带重心频移方法，已能将荧光压谱技术的分辨率降至0.14Mpa以下；灵敏度提高到0.15nm/Mpa（即4.7cm-1•Mpa-1），与常用的红宝石荧光的平均压谱系数5.6cm-1•Gpa-1相比，高了近千倍，比YAG:Ce3+的静水压谱系数高约40倍。. 这些荧光传感方法的探索为发光材料的高附加值应用开拓了新的领域。同时，应力和温度的新型光测方法为实验力学、信息光学提供了实用的手段。这些工作也为稀土光谱理论的发展积累了数据并发现了若干尚未有明确答案的问题。