[发明专利]一种使用高功率激光泵浦的上转换荧光强度比测温方法

说明书

本发明属于光学传感领域，具体涉及的是一种利用激光的热效应规律改进上转换荧光强度比测温技术的精度的使用高功率激光泵浦的上转换荧光强度比测温方法。本发明包括：(1)制备稀土离子掺杂上转换纳米材料作为测温探头；(2)将测温探头至于电加热盘上，调节加热盘输入功率至不同温度，测量无激光入射情况下探头实际温度随环境温度的变化，用作标定公式中的T₀等。本发明不在既有测温系统中添加硬件，只需要在标定时采用多组光强数据即可，故本发明成本低廉，操作便捷。

技术领域

本发明属于光学传感领域，具体涉及的是一种利用激光的热效应规律改进上转换荧光强度比测温技术的精度的使用高功率激光泵浦的上转换荧光强度比测温方法。

背景技术

温度是表征物体冷热程度的物理量，在科研、工业生产和医学等领域具有十分重要的地位。随着微电子学、光子学、纳米医学等领域的发展，传统的热电偶、热电阻等利用电信号来表征温度的传感元件难于实现微纳米尺度范围的温度测量和空间温度梯度的测定，例如测量单个细胞内部的温度，测绘微电路和微流体的温度场等。为了克服传统侵入式测温技术的局限,急需探索新型温度响应纳米材料，建立全新的温度测量方法，以及设计结构新颖的纳米级温度传感器。

荧光纳米温度传感器是一类新型的非接触式传感器。由于设计灵活、性能稳定、使用寿命长、不受电磁场的干扰和应用范围广，荧光纳米温度传感器受到国内外学者越来越多的重视和研究。基于上转换荧光强度比技术使用稀土掺杂纳米材料作为测温探头具有成本低廉、操作便捷等优点，尤其在生物温度传感方面引起了研究者的极大关注。因为上转换过程的激发光通常处于近红外波段，具有较强的生理组织穿透能力，对细胞或生物组织的损伤小，并且几乎没有背景荧光干扰，因此适用于生物学纳米温度计。

荧光强度比(FIR)测温原理是利用源自发光中心的一对热耦合能级向低能级跃迁产生的荧光强度进行温度监测。其表达式为，

其中I₂和I₁分别为两个热偶合能级辐射的荧光强度，C为由材料决定的常数，ΔE为能级间距，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度。

利用荧光强度比技术测温，首先需要根据公式1标定该测温仪的参数，即公式中的常数C及能级间距ΔE。标定时，一般会使用比较小的激发光功率，其目的在于忽略入射激光在探针上产生的加热效果。通常认为，如果所使用的激光功率不能引起荧光强度比数值的明显变化，则可以忽略其热效应。然而根据图1所示，尽管使用较低的激光功率确实能够保证荧光强度比值不会出现明显的上升，但是在这个荧光强度比值的“稳定区”当中，仍然会出现明显的激光加热效应(图2)。另一方面，使用较低的激发功率会导致测温材料的荧光信号相应减弱，进而带来较低的信噪比难以保证高精度测温。所以，当前传统荧光强度比技术的主要问题在于低激光功率造成的低信噪比与高功率导致的强加热效果之间存在矛盾。

本发明拟提供一种改进上转换荧光强度比测温技术的改进方法，解决上述当前存在的问题。

发明内容

本发明主要目的在于提供一种简单易行的提高稀土离子荧光温度传感器测温精度的使用高功率激光泵浦的上转换荧光强度比测温方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)制备稀土离子掺杂上转换纳米材料作为测温探头；

(2)将测温探头至于电加热盘上，调节加热盘输入功率至不同温度，测量无激光入射情况下探头实际温度随环境温度的变化，用作标定公式中的T₀；

(3)在步骤(2)使用的加热条件下，测量多组不同激光功率激发下的荧光强度比数据，测量过程中准直光束保证不同功率下光斑大小不变；

(4)在改进的标定公式中，