CC BY
31DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-282-283
ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ НА ОСНОВЕ НАНОКРИСТАЛЛОВ CE:YAG И МНОГОМОДОВОГО ВОЛОКОННОГО СВЕТОВОДА
Матросова А.С.1'2'3, Булыга Д.В.2, Садовничий Р.В.1'3, Пчелкин Г.А.1'3'4, Шурупов Д.Н.1'4, Демидов В.В.1'3*, Евстропьев С.К.1'2'3'5, Никоноров Н.В.2, Дукельский К.В.1'2'6, Подрухин Ю.Ф.4, Слобожанинов А.А.2
1Научно-производственное объединение Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова,
г. Санкт-Петербург 2Университет ИТМО, г. Санкт-Петербург 3Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, г. Москва 4Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, г. Санкт-Петербург 5Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет),
г. Санкт-Петербург
6Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича,
г. Санкт-Петербург E-mail: demidov@goi.ru
Измерение температуры с помощью волоконно-оптических датчиков (ВОД) обладает рядом преимуществ по сравнению с аналогичными по функциям устройствами другого типа [1]. ВОД компактны, легки, электрически безопасны, невосприимчивы к электромагнитным помехам и обеспечивают локализованное в одной точке либо распределенное по всей длине измерение параметров окружающей среды. Необходимость контроля высоких значений температуры различных объектов, в сочетании с длительностью измерительного процесса и труднодоступностью зоны контроля, требует использования материалов, обладающих высокой термической устойчивостью.
Особое внимание уделяют разработке люминесцентных ВОД, осуществляющих конвертацию УФ излучения в сигнал видимого диапазона за счет явления фотолюминесценции. Преимущества таких устройств заключаются в быстром отклике и высокой чувствительности [2]. Принцип действия люминесцентных ВОД для измерения температуры основан на контроле температурных изменений фотолюминесценции редкоземельных ионов [3]. Целью настоящей работы было исследование люминесцентного ВОД простой конструкции, в котором в качестве термочувствительного материала используются нанокристаллы алюмоиттриевого граната, активированного ионами церия (Ce:YAG).
Нанолюминофор Ce:YAG (концентрация ионов церия 1,0 масс.%), представленный в виде порошка, был синтезирован полимерно-солевым методом [4]. В качестве исходных материалов использовались растворы нитратов металлов и высокомолекулярного поливинилпирролидона. После смешивания растворы подвергались сушке и термической обработке при 1000 °C в течение 2 часов. На Рис. 1 приведены снимки порошка Ce:YAG, полученные методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Из рисунка видно, что материал имеет пористую структуру (Рис. 1а), каркас которой состоит из нанокристаллов размером менее 100 нм (Рис. 1б).
Рис. 1. СЭМ-снимки структуры нанолюминофора Ce:YAG, полученного Рис. 2. Рентгенограмма
полимерно-солевым методом нанолюминофора Ce:YAG
Данные рентгенофазового анализа (Рис. 2) показали, что синтезированный порошок содержит только кристаллы алюмоиттриевого граната. Средний размер кристаллов, рассчитанный согласно уравнению Шеррера, составил 19 нм. Параметры кристаллической ячейки a и V кристаллов Ce:YAG составили 12,055 А и 1751,73 А3 соответственно. Эти значения выше аналогичных величин для чистого алюмоиттриевого граната (12,002 А и 1728,86 А3), что свидетельствует о некотором расширении кристаллической решетки при замещении ионов Y3+ большими по размеру ионами Се3+.
282 №6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
Исследование люминесцентных свойств порошка показало, что в спектре возбуждения фотолюминесценции наблюдаются два пика с максимумами на длинах волн 340 и 460 нм (Рис. 3, кривая 1), аналогично результатам работы [8]. Спектр эмиссии фотолюминесценции в видимом диапазоне состоит из двух различных полос с максимумами вблизи длин волн 535 и 574 нм (Рис. 3, кривая 2), соответствующих электронным переходам Ce3+ (^5/2) и (^7/2) [4, 5].
Рис. 3. Спектры возбуждения (кривая 1) и эмиссии фотолюминесценции (кривая 2) нанолюминофора
Ce:YAG
Рис. 4. Фотография ВОД: 1 - кварцевый капилляр, 2 - нанолюминофор Ce:YAG, 3 - многомодовый волоконный световод
ВОД представлял собой конструкцию из многомодового волоконного световода с сердцевиной диаметром 200 мкм и числовой апертурой 0,22 длиной 2 м и кварцевого капилляра с внутренним диаметром 0,8 мм длиной 45 мм, заплавленного с одного конца (Рис. 4). Полость капилляра со стороны заплавленного конца была заполнена слоем нанолюминофора Ce:YAG толщиной ~1,5 мм, к которому был подведен очищенный от защитного покрытия и отполированный торец световода с пропусканием более 99%/м в видимом диапазоне. При воздействии излучения длин волн 340 и 460 нм на участок капилляра, заполненный порошком, происходило возбуждение фотолюминесценции, и оптический сигнал с преобразованной за счет этого явления длиной волны от 535 до 574 нм захватывался световодом и передавался к приемной аппаратуре.
Рис. 5. Схема экспериментальной установки для исследования температурной чувствительности ВОД
Исследование температурной чувствительности ВОД проводилось на экспериментальной установке, схема которой представлена на Рис. 5. Подвод тепла к сегменту капилляра, заполненному нанолюминофором Ce:YAG, осуществлялся за счет нагрева нихромовой проволоки, намотанной двумя витками снаружи капилляра. Нагрев проволоки регулировался подачей напряжения от лабораторного автотрансформатора. Излучение ртутной лампы подводилось напрямую к капилляру, способствуя эффективному возбуждению фотолюминесценции порошка. Изменение интенсивности оптического сигнала в зависимости от температуры проволоки регистрировалась фотодетектором. Измеренная таким образом зависимость в диапазоне значений температуры от 20 до 150 °С оказалась экспоненциальной, а в диапазоне от 150 до 250 °С - линейной. Снижение интенсивности оптического сигнала по мере увеличения температуры обусловлено температурным тушением люминесценции. Поскольку синтезированный нанолюминофор Ce:YAG характеризуется устойчивостью к воздействию температуры более 700 К [6], это определяет возможность практического применения разработанной конструкции ВОД для контроля экстремально высоких значений температуры различных объектов промышленного и гражданского назначения.
Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 19-1900596).
Литература
1. Grattan K.T.V. et al, Sens. Act A: Phys. 82, 40-61 (2000)
2. Jackson R.G., Novel sensors and sensing. London: CRC Press (2004)
3. Matrosova A.S. et al, Opt. Spectr. 127, 746-749 (2019)
4. Sokolov I.S. et al, Opt. Eng. 58, 027103 (2019)
5. He X. et al, Sci. Rep. 6, 38168 (2016)
6. Denker B. et al, Opt. Commun. 271, 142-147 (2007)
№6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
283
