基于量子點薄膜和光子晶體光纖的溫度傳感器特性研究.pdf

1、溫度傳感器大范圍應用于日常生活、農業(yè)生產和航空航天等許多領域。常見的溫度傳感器主要包括：熱電偶、熱電阻和紅外傳感器等。雖然這些溫度傳感器價格低廉、結構簡易、技術成熟，但是因為主要采取電流感應的方式，存在一定的安全隱患，不符合許多高危領域的要求。而量子點薄膜和摻量子點光子晶體光纖，通過利用量子點光致發(fā)光譜的峰值波長、峰值強度和半高全寬等多光學參量的溫變效應，可進行同時測溫。因此，本論文研究的基于量子點薄膜和光子晶體光纖的溫度傳感器具有抗電

2、磁干擾，測溫準確度高、分辨率高、動態(tài)響應好和測量范圍廣等優(yōu)點，可用于極端條件下的溫度測量，具有較強的應用前景。本文的具體研究內容如下：
　　（1）基于有限元法，首次設計了一種含CdSe/ZnS量子點薄膜結構的光子晶體光纖，分析了具有CdS e/ZnS量子點薄膜光子晶體光纖的色散及損耗特性。結果表明，含CdS e/ZnS量子點薄膜結構的光子晶體光纖在x和y方向均存在基模。當泵浦光波長逐漸增加時，對于具有CdSe/ZnS量子點薄膜的光

3、子晶體光纖，x和y方向的總色散先增大后減小且存在兩個零色散點，損耗逐漸增大并在可見光波段趨近于零。后采用選擇性鍍膜方式進行優(yōu)化設計，發(fā)現(xiàn)可以大大減少限制損耗。這說明在實驗中通過摻雜CdS e/ZnS量子點薄膜和選擇合適的泵浦光波長，可有效控制光子晶體光纖的色散和損耗。
　?。?）根據(jù)CdSe/ZnS核殼量子點光致發(fā)光譜的三個光學參量—峰值波長、峰值強度和半高全寬—與溫度變化之間的相關理論，結合光子晶體光纖的優(yōu)點，設計了一種基于量子

4、點光子晶體光纖的多參量熒光溫度傳感器，研究了摻CdS e/ZnS量子點光子晶體光纖的光致發(fā)光譜(Photoluminescence,PL)的峰值強度、峰值波長、量子點帶隙、半高全寬和自參考光譜強度等多種參量的溫變特性。實驗結果表明，在30-100℃溫度變化范圍內，摻CdS e/ZnS量子點光子晶體光纖的發(fā)射光譜強度隨著溫度的增加而逐漸減小，而PL譜的峰值波長和半高全寬隨著溫度的增加而增加。進一步研究發(fā)現(xiàn)，量子點PCF光纖發(fā)射的PL譜峰值

5、波長、自參考光譜強度和量子點帶隙與溫度均成線性變化關系，但它的半高全寬與溫度成二次曲線關系，峰值強度與溫度按指數(shù)規(guī)律變化，所得到的測量結果與理論分析相一致。最后根據(jù)峰值波長隨溫度升高產生的紅移量，通過擬合得到的摻量子點PC F光纖溫度傳感器靈敏度達到0.062 nm/℃。
　　（3）設計并開發(fā)了一種基于雙粒度CdSe/ZnS摻雜量子點薄膜的反射式熒光溫度傳感器，該傳感器以發(fā)射波長分別為540 nm和610 n m的雙粒度CdSe/

6、ZnS摻雜量子點薄膜為核心器件，并以嵌入反射式傳感頭形式搭建了一整套薄膜型溫度傳感系統(tǒng)。采用分析摻CdSe/ZnS量子點光子晶體光纖發(fā)射譜溫變特性的方法，研究了雙粒度CdS e/ZnS量子點薄膜光致發(fā)光光譜的光譜強度、峰值波長、量子點帶隙、半高全寬、峰值強度、自參考峰值強度等多種參量的溫變特性。實驗結果顯示，利用雙粒度CdS e/ZnS摻雜量子點薄膜，可以獲得了包含雙峰的帶寬為約150n m的寬帶光譜。當溫度在30-100℃的范圍內變化