《Sensors and Actuators A: Physical》：A design approach for a fiber-coupled temperature sensor employing Er3?/Yb3? co-doped tellurite glasses
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硫属玻璃中Er3?/Yb3?共掺杂优化光纤测温系统，熔融淬火法制备不同Yb浓度样品，分析显示2mol% Yb3?配比实现最佳绿光发射强度与最低光谱展宽，开发微型化光纤耦合结构提升空间分辨率与稳定性。
R. Narro-García|E. Rodríguez|J.J. Leal
奇瓦瓦自治大学工程学院，新校区1号环路，奇瓦瓦州奇瓦瓦市，31125，墨西哥
摘要
本研究制备并评估了掺杂Er3?/Yb3?的碲酸盐玻璃在紧凑型光学温度测量中的应用潜力。合成了含有1摩尔% Er?O?和1–4摩尔% Yb?O?的玻璃样品，以研究镱含量对上转换性能的影响。实验结果表明，掺杂1摩尔% Er?O?和2摩尔% Yb?O?的样品具有最高的绿色发光强度和最低的光谱分散性；而较高的Yb3?含量会导致发光强度减弱，并降低发光响应的光学均匀性。基于这些结果，利用微米级玻璃碎片和简化的激发-收集系统组装了一种光纤耦合温度传感器，无需使用大型光学元件。该传感器通过测量2H??/?和4S?/?>能级之间的热重分布来实现单调的荧光强度比（FIR）响应，其能量间隙和灵敏度与基于Er3?的温度传感器相当。这些发现展示了从材料优化到实现紧凑型、机械稳定传感配置的完整技术路径。
引言
光学温度传感器通过分析活性材料发出的光来测量介质的温度。这类传感器通过检测活性材料的光学性质（如强度、波长或荧光寿命）随温度变化的情况来工作[1]。光学温度传感器的主要优点包括抗电磁干扰能力强、耐极端环境、高灵敏度、可微型化以及能够实时工作。这些特性使其在生物医学、航空航天、能源和工业领域具有广泛应用，因为传统测量方法在这些领域存在局限性[2]、[3]。
在寻找用于设计这类传感器的高效发光材料时，掺杂Er3?/Yb3?离子的碲酸盐玻璃被证明是一个有前景的选择。这类玻璃在近红外范围内具有高透射率、低熔点、良好的热稳定性以及出色的能量转换效率，这得益于Yb3?离子向Er3?离子的能量转移过程。近年来，多项研究[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]利用荧光强度比（FIR）技术分析了这些材料的发光特性，该技术基于测量Er3?离子两个热耦合能级的发光强度之比[13]。研究结果揭示了三个关键点：（1）随着温度升高，系统的总发光强度降低；（2）发光强度随温度的变化是一个可逆过程，可用于开发光学温度传感器；（3）这一比值的灵敏度[8]、[12]以及发光材料的其他机械[4]或热[7]性质取决于玻璃基体的组成和掺杂剂的种类。
同时，多个研究团队致力于优化光学温度传感器的设计，提出新的光耦合和信号收集方案。这一过程并不简单，因为所用的光学组件需要具备坚固性、低成本和紧凑性。此外，制造耦合组件的材料还需要与活性材料具有相似的热性能和化学稳定性。
目前，已有三种不同类型的光学配置被用于开发以碲酸盐玻璃为活性材料的光学温度传感器。根据活性材料的物理形态，这些配置可分为块状、薄膜和光纤三种类型。
块状配置广泛应用于研究温度对发光特性的影响。在这种配置中，活性材料被制成矩形或圆柱形棱柱（直径10毫米，高度5毫米），通常通过镜子和透镜实现激发耦合和信号收集。这种配置成本低廉、易于组装且对准方便；然而，它距离商业化应用仍有一定距离。为提高便携性，D. Manzani[14]提出用商用光纤束（RP-24，Thorlabs）替代镜子和透镜，并加入Y型接头。其中一根光纤连接到块状玻璃样品，另外两根光纤分别连接到980纳米激光器和便携式光谱仪。在这三个接口中，光纤-样品接口最为关键，其环境适应性要求材料和耦合策略的选择都非常严格。因此，许多研究转向了薄膜配置。
薄膜配置的一个显著优势是活性材料牢固地附着在石英光纤的尖端，消除了材料位移带来的干扰。活性材料通过浸涂技术沉积在石英光纤的尖端，光纤的另一端连接到由镜子、透镜和滤光片组成的光学系统，用于激发耦合和信号收集[15]。Ting Wu等人[16]进一步改进了这一配置，用波长分束器（WDM，980纳米/510–570纳米）替换了原有的光学耦合系统，提高了系统的稳健性，使其更适用于实际应用。然而，碲酸盐玻璃的热膨胀系数高于石英玻璃，可能在加热-冷却过程中在界面产生拉应力和压应力，导致活性材料开裂。因此，只有热膨胀系数较低的碲酸盐玻璃组合才适合这种应用。此外，由于浸涂工艺的限制，只能沉积一定厚度的薄膜。
第三种配置是将活性介质制成光纤形式。这种配置可以更好地控制活性材料的长度，从而控制发光信号。在这种配置中，碲酸盐光纤与商用光纤连接[17]，然后将该商用光纤与[16]中描述的系统相连。不过，这种配置的缺点是温度测量不再局限于某个特定点，而是整个碲酸盐光纤长度都作为传感元件，这限制了空间分辨率。
在三种配置中，Ting Wu等人[16]提出的方案因其在光纤集成设计上的稳健性和使用紧凑型WDM替代大型光学元件的特点而最具潜力，能够实现局部、点式的温度测量。尽管如此，该配置仍有改进空间，例如WDM的成本相对较高，且浸涂工艺对薄膜体积和均匀性的控制有限。这些因素促使人们寻找能够降低系统成本、更精确控制活性材料数量和几何形状的耦合策略和沉积方法，从而进一步提升光学温度传感器的性能和实用性。
基于此，本研究旨在设计并实现一种高效的光纤耦合系统，优化激发光、活性材料及发射到检测系统的信号之间的相互作用。这一解决方案旨在克服现有局限，开发出更紧凑、更稳健的传感器，使其能够从实验室应用过渡到工业或商业环境。
为解决这些问题，本文分为两个主要部分。第一部分研究了Er3?/Yb3?掺杂碲酸盐玻璃的制备和光学特性，重点优化Yb3?浓度以确定最适合温度测量的组合。第二部分则介绍了光纤耦合温度传感器的组装和校准过程，详细阐述了光学耦合系统的实现及其性能评估。这两个部分共同构成了从材料优化到功能器件实现的完整技术路径。
部分内容摘要
碲酸盐玻璃样品的制备
采用熔融淬火技术制备了三种不同镱含量的碲酸盐玻璃样品，其组成如下：(81-x) TeO? - 8Nb?O? - 5TiO? - 4Al?O? - 1Na?O - 1Er?O? - xYb?O?，其中x的值为1、2、3和4摩尔%。样品分别标记为Yb1、Yb2、Yb3和Yb4，每份样品的总质量为10克。将氧化物粉末混合后，在970°C、985°C、1000°C和1015°C下各熔化60分钟。
块状玻璃样品
图2a展示了不同Yb?O?浓度的Er3?/Yb3?掺杂碲酸盐玻璃在980纳米激发下的上转换（UC）发射光谱（500–700纳米）。观察到在500–580纳米和635–700纳米范围内出现了两个与绿色和红色发光相关的上转换带。绿色UC带包含两个峰值，分别位于约524纳米和545纳米，这些峰值对应于Er3?的2H??/?→ 4I??/?和4S?/?→ 4I??/?>跃迁。
结论
本研究设计、制备并评估了一种基于Er3?/Yb3?掺杂碲酸盐玻璃的光学温度传感系统，整个过程涵盖了材料优化和器件实现。块状发光分析表明，上转换发光强度明显依赖于Yb3?浓度。在所研究的组合中，Yb2样品表现出最高的绿色发光强度和最低的光谱变化性。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者衷心感谢SECIHTI为这项研究提供的财政支持。
Roberto Narro-García博士于2012年在墨西哥Altamira的应用科学与先进技术研究中心（CICATA-IPN）获得先进技术博士学位。随后，他在León的光学研究中心（CIO）进行了两年的博士后研究，随后又在Querétaro的应用物理与先进技术研究中心（CFATA-UNAM）进行了另外两年的研究。他的研究方向是
