Gd3+荧光温度特性及其能级热耦合特性研究——以实现宽范围荧光温度传感

Optical thermometer based on the temperature dependent fluorescence intensity ratio of rare earth ions lends itself to high accuracy contactless temperature measurement. However, its application is limited due to the problems such as luminescence quenching, thermal radiation interference, and non Boltzmann distribution parameter. To solve those problems, we proposed the temperature sensing using temperature dependence of fluorescence intensity ratio of 6PJ levels from Gd3+ ion. The advantages of using Gd3+ ion as temperature sensing active ions include two points. First, the wide band range of Gd3+ ion could reduce the nonradiative relaxation process to the ground state, and thus the luminescence quenching is decreased. Second, the luminescence of Gd3+ ion locates in UV range, leading to reduction of thermal radiation interference. Two research categories are included in this proposal. The effects of temperature on the luminescence properties of Gd3+ ion was first studied, including effective population method of the excited states, the variation of the luminescence intensities and radiative properties with temperature increasing. Further, sharply spiked emission spectra of Gd3+ ions could be utilized to investigate the connections of energy level gap, overlap of fluorescence peaks, temperature and thermally coupling degree, and then to explore an effective way to eliminate non Boltzmann distribution parameter. Besides a solution to those perennial problems, the research results would promote the development of optical thermometry.

利用稀土离子热耦合能级对的荧光强度比进行温度传感具有高精度、非接触的优势，然而荧光温度猝灭、热辐射干扰以及非玻尔兹曼分布参数等因素制约了其应用和发展。本项目提出以钆作为荧光激活离子、通过深紫外光激发布局6PJ能级，利用6PJ能级的荧光强度比进行测温。选择钆作为激活离子的优势在于：钆离子能级禁带宽度大，减少了无辐射弛豫，降低了荧光的温度猝灭；钆离子荧光处于背景热辐射强度较低的紫外波段，降低了热辐射干扰。本课题首先开展温度对钆离子光谱性质影响规律研究，包括激发态能级有效布局方式研究、温度对荧光辐射强度以及能级辐射性质影响规律研究。其次，利用钆离子锐线状光谱分布的结构特点，进一步探索热耦合能级对的能级间隔大小、光谱重叠程度、温度等因素与能级热耦合程度的关系，寻找减小非玻尔兹曼分布参数的有效途径。本课题的研究成果，将解决这些长期困扰荧光温度传感领域的难题，为荧光温度传感开辟更广阔的应用领域。

热力学温度是国际单位制（SI）7个基本物理量之一，是人们在生产、生活中测量频率仅次于时间的一个广为关注的物理量。温度作为一个条件参数，在生命科学、高精密加工、半导体生长等高技术领域质量控制方面有着重要的作用。提高温度的监控精度水平对于质量提升、产量增加、制造过程优化有着重要的实际意义。光学温度传感方法得益于其非接触以及面成像等方面独特的技术优势，引起了广泛关注。.本项目解决了荧光强度比方法中一系列科学问题，首先解决了传统高灵敏荧光强度比方法测温偏差的问题，揭示了基于玻尔兹曼规律的传统荧光强度比方法测温机制，发现非热布局过程是造成传统荧光强度比方法测温偏差的原因，完善了热布局理论；接着探索了非热布局过程对热布局过程的干扰，利用速率方程模型提出了消除非热布局干扰的理论，通过荧光动力理论分析提出了利用了衰变权重因子获得修正曲线的方法；进一步证实了非热布局过程对测温灵敏度的影响，阐明了无辐射弛豫作用的存在及其引发的荧光强度比方法灵敏度高估的现象，给出了正确评价灵敏度的公式；此外，本项目还探索了利用峰值谷值比的高信噪比温度传感方法、红绿比及蓝绿比线性温度传感方法，发展了铁电材料相变温度的光学表征，以及频率上转换过程激发态吸收布局权重的量化评价方法等。.本项目在传统荧光强度比体系内彻底、深入的研究，阐明了稀土离子热耦合能级间的布局规律，整顿了荧光强度比测温灵敏度方面的评价乱象，揭示了基于玻尔兹曼规律的荧光强度比方法在灵敏度方面的局限性，提出了要想切实解决光学方法的灵敏度限制，只有打破玻尔兹曼规律的束缚，发展具有更高测温灵敏度的新型温度传感方法。.本项目的研究成果累计发表SCI论文20篇，授权国家发明专利3项，培养博士研究生4名，硕士研究生2人。