Температурная зависимость люминесцентных свойств свинцово-фторидной наностеклокерамики, активированной иттербием и эрбием

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики

Научно-исследовательский институт нанофотоники и оптоинформатики

Температурная зависимость люминесцентных свойств свинцово-фторидной наностеклокерамики, активированной иттербием и эрбием

А.Н. Абдршин,

В.А. Асеев, Р.К. Нурыев

Санкт-Петербург, Россия

Аннотация

Исследована температурная зависимость люминесценции ионов эрбия в свинцово-фторидных наностеклокерамиках. Отношение пиков люминесценции температуры возрастает при увеличении концентрации эрбия и времени термообработки. Полученные результаты могут быть использованы при создании люминесцентных датчиков температуры.

Введение

В современном промышленном производстве наиболее распространенными (~ 60% от общего количества измеряемых величин) являются измерения температуры. Среди разнообразия средств контроля температуры можно выделить две основные категории - механические и оптические. В свою очередь оптические датчики делятся на волоконные, пирометры и люминесцентные.

На сегодняшний момент среди оптических датчиков температуры наиболее распространенными являются люминесцентные (в силу своей высокой точности и простоты в производстве и использовании). Они, в свою очередь, делятся по принципу действии на три условных группы: изменение интенсивности люминесценции в определенной части спектра, измерение времени жизни люминесценции, а также измерение отношения интенсивностей излучения на двух длинах волн, выбираемых обычно в красной или синей части спектра.

В материалах, активированных ионами эрбия, работающих в ближнем инфракрасном спектральном диапазоне около 1,5 мкм, увеличение температуры приводит к размытию контуров люминесценции и поглощению ионов эрбия за счет перераспределения населенностей по штарковским подуровням. Это связанно с тем, что энергетический зазор между уровнями ²H_11/2 и ⁴S_3/2 в ионе эрбия относительно мал, и возможно термическое перераспределение населенности между этими уровнями. Что приводит, за счет бескислородного окружения ионов-активаторов, к уширению спектров поглощения и люминесценции и вероятностей излучательных переходов [4].В связи с этим эффектом, данные материалы являются наиболее перспективными для использования в качестве активной среды в люминесцентных датчиках температуры, основанных на измерении отношения интенсивностей излучения на двух длинах волн.

Для создания активной среды такого датчика, среди разнообразия оптических материалов, наиболее подходящими являются активированные стеклокерамики. Стеклокерамика - это стекло, в объеме которого распределены кристаллы. Обычно стеклокерамику получают методом спонтанной кристаллизации, т.е. нагревают стекла до температур выше температуры стеклования и при этом происходит выделение кристаллической фазы. В качестве центров нуклеации для такой фазы выступают редкоземельные ионы, т.е. они входят в состав кристалла. Занимая промежуточное положение между кристаллами и стеклами, стеклокристаллические материалы объединяют в себе лучшие свойства кристаллов - высокую механическую и термическую прочность (чего нет у стекол) и лучшие характеристики стекол - возможность прессования и формования, возможность вытяжки оптического волокна, проведения ионного обмена для создания волноводных структур (чего нет у кристаллов) [1].

Прозрачная стеклокерамика на основе свинцово-фторидных нанокристаллов [2], содержащая редкоземельные ионы, может использоваться для изготовления лазеров и волоконных усилителей света, работающих в ближней ИК-области. К достоинствам свинцово-фторидной наностеклокерамики относится то, что за счет бескислородного окружения ионов-активаторов она имеет широкий спектр люминесценции на 1,5 мкм [4].

Целью настоящей работы являлось исследование температурной зависимости спектров ап_конверсионной люминесценции ионов эрбия в иттербий-эрбиевой свинцово-фторидной наностеклокерамике.

Методическая часть

В работе исследовалось стекло состава 30SiO₂-18PbF₂-7.5Al₂O₃-5ZnF₂-29CdF₂-3YF₃. Концентрация ионов эрбия изменялась в пределах от 0,05% вес до 0,5% вес. Кристаллическая фаза выделялась в результате вторичной термообработки и представляла собой кристаллы типа PbYOF₃, в которых ионы иттрия замещались на ионы редкой земли (иттербия или эрбия). Время вторичной термообработки составляло 2, 6 и 10 часов при температуре 515єC. Образцы представляли собой полированные плоскопараллельные пластины толщиной 1 мм. Схема установки для получения спектров люминесценции изображена на рисунке 1.

Люминесценция эрбия возбуждалась излучением полупроводникового лазера с длиной волны л_pump = 980 нм и мощностью накачки P_pump = 120 мВт (LDD-9, ЗАО Полупроводниковые приборы) (1), промодулированым механическим модулятором (2) с частотой 30 Гц. Сигнал люминесценции образца, находящегося в термоячейке (3) регистрировался при помощи монохроматора (модель Acton-300, Acton Research Corporation) (4) и ФЭУ (модель Hammamatsu R628) в диапазоне 500-580 нм. Сигналы от приемника усиливались и обрабатывались при помощи цифрового синхронного усилителя (модель SR850 фирмы «Stanford Research Systems») (5).

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Экспериментальная часть

температурный люминесценция эрбий наностеклокерамика датчик

На рис. 2 представлена эволюция спектра люминесценции в образце свинцово-фторидной наностеклокерамики с временем вторичной термообработки 6 часов и концентрацией ионов эрбия 0,5% вес. Форма спектров люминесценции объясняется штарковским расщеплением уровней эрбия ⁴S_3/2 (547 нм.) и ²H_11/2 (522 нм.) При увеличении температуры максимумы интенсивности пиков смещаются друг относительно друга, т.е. нагревание приводит к термическому перераспределению возбуждений между уровнями ⁴S_3/2>⁴I_15/2 и ²H_11/2>⁴I_15/2, и, как следствие, к изменению соотношения пиков на выбранных длинах волн (рис. 3)

Рис. 2. Зависимость зеленой люминесценции от температуры в образце свинцово-фторидной наностеклокерамики с временем вторичной термообработки 6 часов

Рис. 3. Зависимость формы спектра люминесценции от температуры в образце свинцово-фторидной наностеклокерамики с временем вторичной термообработки 6 часов

Рис. 4. Температурная зависимость отношения пиков люминесценции в образце свинцово-фторидной наностеклокерамики для различных концентраций ионов эрбия

Рис. 5. Температурная зависимость отношения пиков люминесценции образцов свинцово-фторидной наностеклокерамики с различным временем вторично термообработки

Далее были построены температурные зависимости отношения пиков люминесценции для образцов свинцово-фторидной наностеклокерамики с различными концентрациями ионов эрбия, а также с различным временем вторичной термообработки (рис. 4 и 5 соответственно).

Видно, что при увеличении, как концентрации ионов эрбия, так и времени вторичной термообработки чувствительность материала к изменению температуры повышается, так как увеличивается угол наклона касательной к графику. Полученные зависимости сохраняют экспоненциальный характер во всем исследуемом температурном диапазоне, что позволяет использовать их графики в качестве градуировочных кривых для определения температуры исследуемого материала.

Выводы

В ходе проведения работы было показано, что при увеличении температуры отношение максимумов пиков люминесценции возрастает, что объясняется усилением миграции возбуждений и как следствие, увеличением количества безызлучательных переходов. Также повышение температуры увеличивает тушение на примесях, что объясняет постепенное уменьшение интенсивности люминесценции. Зависимости отношения пиков люминесценции от температуры имеют экспоненциальный характер для всех образцов во всем исследуемом температурном диапазоне, что позволяет использовать их графики в качестве градуировочных кривых для определения температуры исследуемых образцов.

Список литературы

1. Daqin Chen, Yuansheng Wang, Yunlong Yu, En Ma, Feng Bao, Zhongjian Hu, Yau Cheng // Influences of Er3+ content on structure and upconversion emission of oxyfluoride glass ceramics containing CaF2 nanocrystals // Materials Chemistry and Physics. - 2006. -№95. - Р.264-269.

2. Z. Pan, A. Ueda, M. Haes, R. Mu, S.H. Morgan. // Studies of Er3+-doped germanate-oxyfluoride and tellurium-germanate-oxyfluoride transparent glass-ceramics // Journal of Non-Crystalline Solids. - 2006. - №352. - Р .801-806.

3. G. Dantella, M. Mortier, G.Patriarche, D.Vivien. // Er3+-doped PbF2: Comparison between nanocrystals in glass-ceramics and bulk single crystals // Journal of Solid State Chemistry. - 2006. - №179. - Р. 1995-2003.

4. Асеев В.А., Жукова М.Н., Федорова Е.М. // Влияние концентрации активаторов на вероятность безызлучательного переноса энергии в высококонцентрированных иттербий-эрбиевых стеклах // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО, 2006, 26, 123-126.

Размещено на Allbest.ru