[实用新型]基于稀土离子上转换荧光的光纤测温装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及光纤测温领域，尤其涉及一种基于稀土离子上转换荧光的光纤测温装置。

背景技术

由于一些测温现场具有较恶劣的环境，例如高温、高压、高电磁干扰，甚至有些测温现场有一定的腐蚀性、放射性；或易燃易爆等，不适于电子测温设备在现场工作。为解决在以上恶劣环境中测温的难题，许多远距离测温设备被设计出来，如：远距离红外测温设备、远距离无线测温设备等。但是，这些电子设备都具一些很关键的缺点，如红外测温设备易受空间光干扰、不能自动实时测量、不能进入空间狭小的测温点、产生电火花等。而无线测温设备的测温节点容易受到现场电磁干扰，大大影响测温精度，甚至无法进行测温，同时不具有抗腐蚀、抗辐射能力。

近几年来兴起的荧光寿命测温技术，是利用紫外或近紫外光作为泵浦光，对含铕稀土荧光粉进行泵浦，使其发射出下转换荧光，荧光呈现粉红色或红色等。然后，通过大直径光纤将荧光传送到荧光寿命检测装置，从而换算出测温点温度。该技术能够很好的解决测温现场各种恶劣条件造成的测温困难。但是，由于这种荧光寿命测温技术使用的是含铕稀土荧光材料的下转换荧光，泵浦光和荧光波长都不在光纤的低损耗窗口，因此光纤对泵浦光和荧光的损耗都很大；基于以上不足，现有荧光寿命测温技术无法实现长距离测温，其测温距离只能达到几十米，致使荧光寿命检测装置必须安装在距离测温现场较近的地方，容易使荧光寿命检测装置受到恶劣现场的影响，出现测温精度降低甚至无法工作的情况。

为解决以上长距离测温问题，研究采用光激励稀土离子的上转换发光技术，上转换也称为频率上转换或升频转换，即用长波长的光照射物质产生短波长发光的过程。最早的关于稀土离子上转换的发光研究，可以追溯到20世纪50年代初期, 由于稀土上转换在激光输出、夜视等方面的独特优势，国内外许多研究团队、科技公司对稀土离子的上转换发光特性和机制展开了较全面、系统的研究。目前，稀土离子的上转换效应已被应用到上转换激光输出、上转换三维显示、上转换红外探测、上转换防伪技术等领域。上转换发光机制主要包括激发态吸收、能量传递、合作上转换、以及光子雪崩等，其中合作发光过程一般发生在两个同种离子之间。此过程在1970年由Nakazawa首次在YbPO₄中发现。如图1所示，用红外或近红外激光做为泵浦对稀土离子进行泵浦，将稀土离子a和b分别泵浦到激发态；处于激发态的a离子和b离子同时将能量传递到一个虚拟的激发态能级，发射出对应波长的荧光（上转换荧光），而a离子和b离子通过无辐射跃迁回到基态。经研究发现，当泵浦光撤销后，上转换荧光并不会马上消失，而是会以指数的形式衰减；将荧光强度衰减到初始荧光光强的1/e所经历的时间称为荧光寿命；研究表明，上转换荧光寿命与上转换荧光材料温度存在确定的函数关系。利用该上转换荧光寿命与温度的函数关系，只要测定上转换荧光寿命就可以推算出对应的上转换荧光材料的温度，从而实现测温。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对以上不足之处，提供了一种基于稀土离子上转换荧光的光纤测温装置，实现长距离的测温。

本实用新型解决技术问题所采用的方案是：一种基于稀土离子上转换荧光的光纤测温装置，包括一用于提供激励光的激光器、用于传输激励光的第一传输光纤、设置与测温处用于收集并分离上转换荧光的角锥棱镜、用于传输上转换荧光的第二传输光纤和用于检测荧光寿命的荧光寿命检测装置，所述第一传输光纤一端与激光器连接，另一端与角锥棱镜固定连接，所述第二传输光纤一端与所述角锥棱镜固定连接，另一端与荧光寿命检测装置连接。

进一步的，所述角锥棱镜由掺杂有稀土离子的玻璃、陶瓷或晶体切割加工而成，所述角锥棱镜为直角三棱镜，所述角锥棱镜的两条上直角边上分别镀有泵浦光高反射膜和第一荧光高反射膜；所述角锥棱镜的两条下直角边上分别镀有泵浦光高透射膜和第二荧光高反射膜。

进一步的，所述第一传输光纤和第二传输光纤分别垂直于角锥棱镜的上直角边或下直角边设置。

进一步的，所述稀土离子为Er³⁺、Yb³⁺、 Pr³⁺、Tm³⁺或Er³⁺、Yb³⁺、 Pr³⁺、Tm³⁺之间的组合。

进一步的，所述直角三棱镜采用Yb³⁺和Er³⁺氟化物玻璃加工切割制成。

进一步的，所述激光器为泵浦激光器，所述激励光为泵浦光。