Cr3+離子摻雜鎂鋁尖晶石光纖熒光溫度傳感技術研究.pdf

1、光纖傳感是利用光的波長、強度、偏振態(tài)、相位等特性來測量溫度、位移、速度、加速度、轉(zhuǎn)速、壓力、液位、電流、濕度等物理量的技術。光纖傳感器與普通傳感器相比,具有抗電磁干擾、可分布式傳感、電絕緣性好、物理化學性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點,特別適用于環(huán)境惡劣或存在強電磁干擾等場合下的物理量測量,具有十分廣闊的應用前景。
　　 本論文的研究對象是光纖溫度傳感器的一種,即熒光壽命型光纖溫度傳感器,更具體的說是以Cr3+摻雜鎂鋁尖晶石作為傳感頭材料的光纖熒

2、光溫度傳感器。所以研究任務便是該種材料傳感頭的熒光溫度特性,包括熒光強度隨溫度的變化關系、熒光壽命隨溫度的變化關系等。
　　 本文詳細闡述了Cr3+離子在不同強度晶體場中的熒光溫度特性的理論,結合尖晶石結構、尖晶石的晶體場強度、Cr3+離子在尖晶石材料結構中的能級分裂以及Tanabe-Sugan能級圖等,從理論上分析了MgAl2O4:Cr3+的熒光溫度特性。
　　 本文所涉及的傳感頭材料用激光加熱基座法(簡稱LHPG法)

3、制備,所用源棒由Al2O3(4N),MgO(4N),Cr2O3(4N)按照化學比例混合,經(jīng)過碾磨、壓制、燒結等工序得到。本文的傳感頭Cr3+離子摻雜濃度包括0.5 at.％、1 at.％、2at.％、3 at.％、4 at.％、5 at.％等。
　　 通過對樣品的光譜測試得知,MgAl2O4:Cr3+與Al2O3:Cr3+的熒光光譜不同,這是由尖晶石和藍寶石晶體結構的不同所造成。在摻Cr3+離子鎂鋁尖晶石中,Cr3+離子摻雜濃度

4、的不同也會造成熒光光譜的細微變化,但是在波長分別405nm和520nm的LED泵浦光作用下傳感頭產(chǎn)生的熒光光譜幾乎無任何區(qū)別。另外,經(jīng)過測試不同溫度下傳感頭的熒光光譜,我們得知熒光光強會隨著溫度的升高而減弱,并且本文將實驗數(shù)據(jù)利用最小二乘法擬合得到了熒光最大峰值隨溫度變化的關系式.
　　 本文的重點是摻Cr3+離子鎂鋁尖晶石的熒光壽命隨溫度的變化關系,這是熒光壽命型光纖溫度傳感器的基本依據(jù)。熒光壽命型光纖溫度傳感器與熒光強度型光

5、纖溫度傳感器相比具有的特點是不受泵浦光強度以及光傳輸損耗等影響,適合中低溫度的測量。我們分別對每種Cr3+離子摻雜濃度傳感頭進行了熒光壽命的測量,測量溫度范圍為20℃到400℃,每10℃取一個點。本文結合實驗數(shù)據(jù)和由理論分析得到的熒光壽命與溫度的關系式,利用最小二乘法擬合得到了具體的熒光壽命隨溫度變化的關系式。經(jīng)研究所知,在室溫條件下隨著Cr3+摻雜濃度從0.5％增加到5％,熒光壽命從13.8ms減小到7.2ms,結合熒光強度和熒光壽命

6、溫度特性可知,Cr3+摻雜濃度0.5at.％是最佳的。同時,在溫度從室溫升高到440℃時,摻雜濃度為0.5 at.％的傳感頭熒光壽命從13.8ms降低到0.6ms,溫度系數(shù)從0.043ms／℃下降到0.0049ms／℃。Cr3+摻雜尖晶石的熒光壽命幾乎是紅寶石的熒光壽命(4ms)的三倍,所以是一種潛力很大的熒光壽命型光纖溫度敏感材料。分析表明導致Cr3+:MgAl2O4與紅寶石的熒光溫度特性不同的根本因為在于晶體結構的對稱性差異。