某些物质被波长较短的可见光或者紫外光照射，其物质分子吸收并储存能量而从低能级（基态）跃迁至高能级（激发态），当其从激发态回到基态时，过剩的能量以电磁辐射的形式放射而发出光，这种光称之为荧光，能发射荧光的物质称之为荧光物质。由光能激发荧光物质而产生荧光的是光致荧光；一些化学物质由于化学反应而产生的荧光称为化学荧光。光致发光是荧光测温法的工作机理。荧光物质分子吸收能量后引起发光，当无任何能量被吸收时，荧光现象也会消失。在荧光产生的过程中包括荧光物质分子吸收光能、激发荧光和去活化三种现象。当光通过物质的时候，光强度减弱，这是因为物质分子吸收了某些频率的光，这种现象称为光的吸收。由于物质的原子、分子、离子数目是有限的并且具有不连续的量子化能级，只能对其两能级之差相同或为其整数倍的能量才可吸收，因此，对于光的吸收来说，物质分子只能吸收一定频率的光子。根据普朗克定律可知，荧光物质受到激励光激发从而吸收能量，在低能级与高能级之间将会产生离子跃迁并且随之会发射某一波段的光波。 大多数物质分子在室温下都处于基态的最低振动能级。只有当物质吸收了某一定频率的光辐射能量后，分子中的电子将由基态跃迁至激发态的不同振动能级，这个过程称为激发。受激发而产生荧光或磷光的物质分子基态都处于单重态，具有最低的电子能。激发态的荧光物质分子去活化过程是处于激发态的分子不稳定，会通过辐射跃迁而丧失多余的能量返回基态，
且伴随着荧光或磷光的产生。
荧光物质分子吸收能量受激发而发出荧光有两种形式：一是有合适的波长的光通过
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荧光物质激发荧光分子产生荧光；另一种是具有合适的荧光强度作用于荧光分子而发出荧光。通过这两种形式产生的荧光会有两种类型的光谱，即激发光谱和发射光谱[25-26]。
天才就是非凡的傻劲激发光谱、发射光谱和衰落时间（即荧光寿命）是荧光材料的主要特性[27-28]。荧光激发光谱是荧光物质在不同波长的激发光作用下测得的某一波长处的荧光强度的变化情况。激发光谱是由荧光材料的吸收光谱所决定的，是诱导荧光产生的入射光谱，是不同波长的激发光的相对效率，可选用适宜的激发波长来测定荧光，鉴别荧光物质。通常情况下，激发光的波长较短，即激发光谱的光子能量比产生的荧光能量较大。
荧光发射光谱是在某一固定波长的激发光作用下荧光强度在不同波长处的分布情况。荧光发射光谱反映了荧光中不同波长的光成分的相对强度，测定荧光时可根据荧光发射光谱选择合适的滤光片参数或测定波长也可用来鉴别荧光物质。荧光发射光谱一般具有两个特征：一是荧光发射光谱的形状与激发波长无关；二是荧光物质的荧光发射光谱和它的吸收光谱之间存在着“镜像对称”关系。
由于不同的分子、原子具有不同的量子能级，其发射荧光的特性也不相同。常见的荧光是可见光，其荧光发射波长比入射光的波长较长。随着科学技术的发展和对荧光测温技术的不断探索，随后发现了不可见的X荧光、红外荧光和紫外荧光
能照射在荧光材料上使得荧光材料发出荧光，当激励光停止对荧光材料的激励，荧光发光的持续时间取决于激发态的寿命。在荧光测温实验中，荧光对应于其材料内部电子能级之间的许可跃迁，入射光激发电子而释放能量，电子由激发态返回基态，释放能量引起荧光材料的发光。在荧光材料发光的过程中，还有许多其他合理有效的迟豫过程，这些过程都可能会缩短激发态的衰减时间。因此，在某一特定温度范围内，当荧光物质受激发后产生荧光，其荧光强度和荧光衰减时间都会表现出一定的温度相关性[30]，荧光测温法的工作机理就表现在它的温度相关性上。 能照射在荧光材料上使得荧光材料发出荧光，当激励光停止对荧光材料的激励，荧光发光的持续时间取决于激发态的寿命。在荧光测温实验中，荧光对应于其材料内部电子能级之间的许可跃迁，入射光激发电子而释放能量，电子由激发态返回基态，释放能量引起荧光材料的发光。在荧光材料发光的过程中，还有许多其他合理有效的迟豫过程，这些过程都可能会缩短激发态的衰减时间。因此，在某一特定温度范围内，当荧光物质受激发后产生荧光，其荧光强度和荧光衰减时间都会表现出一定的温度相关性[30]，荧光测温法的工作机理就表现在它的温度相关性上。
在高温情况下由于无辐射跃迁而造成量子效率的影响，会使得荧光寿命大幅缩短。在室温至500℃的温度范围内，Z.Y.Zhang等人对其进行了修正，得到了在这个温度范围下的铬离子荧光寿命曲线[36]，如图2-3所示。
sa2
图2-3 铬离子荧光寿命与温度的关系
根据实验室条件，选择光谱波长范围在190nm至2600nm，功率450W的脉冲氙灯作为激励光源，利用荧光光谱仪对该荧光材料的激发光谱和荧光光谱扫描发现在荧光发射波段700n
m至1100nm之间，其峰值为825nm，容易被光电探测器检测。如图2-4
2.2.1 掺杂Nd3+的荧光材料
对于掺杂Nd3+的荧光材料主要有：掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）、掺钕钒酸钇（Nd:YVO4）、铝酸钇（Nd:YAP）和掺钕氟化钇锂（Nd:YLF）。廉价的小型光源（例如中心波长805nm的发光二极管）可以激发掺杂三价钕离子的晶体材料，其发射波长在1.06μm左右，容易被硅光探测器识别；并且在20℃至750℃的温度范围内，掺杂钕离
荧光强度
I0/e
0 时间（t）
I0
t
第2章 荧光测温机理及荧光材料的选择
11
子的荧光材料的荧光衰减时间与温度参数是一一对应的，因此，利用Nd3+掺杂的荧光材料制作传感器具有一定的价值。小额信贷保险
2.2.2 掺杂Tm3+和掺杂Er3+的荧光材料
铒元素（Er）的原子量为167.3，其单质熔点是1522℃，铥（Tm）单质熔点是1545℃，原子量为168.9，铥与铒的掺杂荧光材料都比掺杂钕的荧光材料更适于高温测量[32-33]。掺铒钇铝石榴石（Er:YAG）在900℃被激发也会产生很强的荧光。波长为800nm的光源可用来激发掺杂三价铥的荧光材料，产生的荧光光谱在1.45μm、1.7μm和2.37μm左右。铥的测量温度更高，可高达1250℃，例如掺铥钇铝石榴石（Tm:YAG）可测量从室温至1200℃的温度，并且其荧光寿命较长（几毫秒单调递减至0.2毫秒且无滞后现象），也适于普通的探测器探测其信号。而Tm:Y2O3测量的温度范围要小（从室温至650℃），其荧光寿命温度
特性随温度的增加而单调递减，并且测量具有良好的重复性，若温度超过650℃，则会由于热淬灭现象使得测量不准确。
2.2.2 掺杂Tm3+和掺杂Er3+的荧光材料
铒元素（Er）的原子量为167.3，其单质熔点是1522℃，铥（Tm）单质熔点是1545℃，原子量为168.9，铥与铒的掺杂荧光材料都比掺杂钕的荧光材料更适于高温测量[32-33]。掺铒钇铝石榴石（Er:YAG）在900℃被激发也会产生很强的荧光。波长为800nm的光源可用来激发掺杂三价铥的荧光材料，产生的荧光光谱在1.45μm、1.7μm和2.37μm左右。铥的测量温度更高，可高达1250℃，例如掺铥钇铝石榴石（Tm:YAG）可测量从室温至1200℃的温度，并且其荧光寿命较长（几毫秒单调递减至0.2毫秒且无滞后现象），也适于普通的探测器探测其信号。而Tm:Y2O3测量的温度范围要小（从室温至650℃），其荧光寿命温度特性随温度的增加而单调递减，并且测量具有良好的重复性，若温度超过650℃，则会由于热淬灭现象使得测量不准确。
表2-2 温度敏感材料的光谱特性
荧光材料
单元音发射谱线（nm）
吸收带（nm）
激励光源 Eu3+
:La2O2S 627 337，355 氮分子激光 Cr3+
:LiSrAlF6 825 600，700
激光二极管，LED Cr:BeAl2O3 680 420，580
氦氖激光器，LED Nd:Glass 1054
750，805，880 红外发射管
激光二极管
Cr:Al2O3
胎膜破裂694 400,550 氦氖激光器，LED喻嘉言
豫公网安备41160202000603
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