基于量子點(diǎn)薄膜和光子晶體光纖的溫度傳感器特性研究.pdf

1、溫度傳感器大范圍應(yīng)用于日常生活、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和航空航天等許多領(lǐng)域。常見的溫度傳感器主要包括：熱電偶、熱電阻和紅外傳感器等。雖然這些溫度傳感器價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、技術(shù)成熟，但是因?yàn)橹饕扇‰娏鞲袘?yīng)的方式，存在一定的安全隱患，不符合許多高危領(lǐng)域的要求。而量子點(diǎn)薄膜和摻量子點(diǎn)光子晶體光纖，通過利用量子點(diǎn)光致發(fā)光譜的峰值波長(zhǎng)、峰值強(qiáng)度和半高全寬等多光學(xué)參量的溫變效應(yīng)，可進(jìn)行同時(shí)測(cè)溫。因此，本論文研究的基于量子點(diǎn)薄膜和光子晶體光纖的溫度傳感器具有抗電

2、磁干擾，測(cè)溫準(zhǔn)確度高、分辨率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好和測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，可用于極端條件下的溫度測(cè)量，具有較強(qiáng)的應(yīng)用前景。本文的具體研究?jī)?nèi)容如下：
　　（1）基于有限元法，首次設(shè)計(jì)了一種含CdSe/ZnS量子點(diǎn)薄膜結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖，分析了具有CdS e/ZnS量子點(diǎn)薄膜光子晶體光纖的色散及損耗特性。結(jié)果表明，含CdS e/ZnS量子點(diǎn)薄膜結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖在x和y方向均存在基模。當(dāng)泵浦光波長(zhǎng)逐漸增加時(shí)，對(duì)于具有CdSe/ZnS量子點(diǎn)薄膜的光

3、子晶體光纖，x和y方向的總色散先增大后減小且存在兩個(gè)零色散點(diǎn)，損耗逐漸增大并在可見光波段趨近于零。后采用選擇性鍍膜方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)可以大大減少限制損耗。這說明在實(shí)驗(yàn)中通過摻雜CdS e/ZnS量子點(diǎn)薄膜和選擇合適的泵浦光波長(zhǎng)，可有效控制光子晶體光纖的色散和損耗。
　?。?）根據(jù)CdSe/ZnS核殼量子點(diǎn)光致發(fā)光譜的三個(gè)光學(xué)參量—峰值波長(zhǎng)、峰值強(qiáng)度和半高全寬—與溫度變化之間的相關(guān)理論，結(jié)合光子晶體光纖的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于量子

4、點(diǎn)光子晶體光纖的多參量熒光溫度傳感器，研究了摻CdS e/ZnS量子點(diǎn)光子晶體光纖的光致發(fā)光譜(Photoluminescence,PL)的峰值強(qiáng)度、峰值波長(zhǎng)、量子點(diǎn)帶隙、半高全寬和自參考光譜強(qiáng)度等多種參量的溫變特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在30-100℃溫度變化范圍內(nèi)，摻CdS e/ZnS量子點(diǎn)光子晶體光纖的發(fā)射光譜強(qiáng)度隨著溫度的增加而逐漸減小，而PL譜的峰值波長(zhǎng)和半高全寬隨著溫度的增加而增加。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，量子點(diǎn)PCF光纖發(fā)射的PL譜峰值

5、波長(zhǎng)、自參考光譜強(qiáng)度和量子點(diǎn)帶隙與溫度均成線性變化關(guān)系，但它的半高全寬與溫度成二次曲線關(guān)系，峰值強(qiáng)度與溫度按指數(shù)規(guī)律變化，所得到的測(cè)量結(jié)果與理論分析相一致。最后根據(jù)峰值波長(zhǎng)隨溫度升高產(chǎn)生的紅移量，通過擬合得到的摻量子點(diǎn)PC F光纖溫度傳感器靈敏度達(dá)到0.062 nm/℃。
　?。?）設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種基于雙粒度CdSe/ZnS摻雜量子點(diǎn)薄膜的反射式熒光溫度傳感器，該傳感器以發(fā)射波長(zhǎng)分別為540 nm和610 n m的雙粒度CdSe/

6、ZnS摻雜量子點(diǎn)薄膜為核心器件，并以嵌入反射式傳感頭形式搭建了一整套薄膜型溫度傳感系統(tǒng)。采用分析摻CdSe/ZnS量子點(diǎn)光子晶體光纖發(fā)射譜溫變特性的方法，研究了雙粒度CdS e/ZnS量子點(diǎn)薄膜光致發(fā)光光譜的光譜強(qiáng)度、峰值波長(zhǎng)、量子點(diǎn)帶隙、半高全寬、峰值強(qiáng)度、自參考峰值強(qiáng)度等多種參量的溫變特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，利用雙粒度CdS e/ZnS摻雜量子點(diǎn)薄膜，可以獲得了包含雙峰的帶寬為約150n m的寬帶光譜。當(dāng)溫度在30-100℃的范圍內(nèi)變化