基于 CdSe 荧光的光纤高温传感器及其环境稳定性研究

《Optics & Laser Technology》：Research on CdSe fluorescence-based fiber optic high-temperature sensor and its environmental stability

　　

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  设计并制备了一种光纤CdSe传感器，用于高温传感。
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  利用该传感器实现了400 °C以上的荧光测温。
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  该传感器在潮湿和液体条件下表现出高环境稳定性。

引言

光温感测量受到了广泛关注，尤其是在高温条件下，传统电子热传感器会受到电磁干扰、材料退化和运行稳定性有限等问题[1]。在各种光学方法中，基于荧光的传感尤为引人注目，因为它具有高灵敏度，并且可以设计微型化探头用于局部温度测量[2]，[3]。

用于光学测温的荧光材料主要包括稀土掺杂材料、过渡金属掺杂纳米颗粒、有机荧光染料和半导体。稀土材料提供稳定的发射，但通常温度灵敏度较低且需要较高的激发功率[4]，[5]；而过渡金属掺杂纳米颗粒和有机荧光染料分别受到结构依赖性和热稳定性差的限制[6]，[7]，[8]，[9]，[10]。相比之下，半导体发光材料，如量子点（QDs）和宽带隙晶体材料，具有高荧光效率、可调光学特性和更好的热稳定性，因此在荧光测温中得到广泛应用[11]，[12]，[13]，[14]。

在半导体材料中，CdSe因其强荧光和对温度的显著光谱响应而被广泛研究[12]，[15]，[16]。然而，传统CdSe量子点荧光传感器的工作温度上限在很大程度上受到表面配体和保护结构稳定性的限制。在较高温度下（通常超过150-200 °C），保护结构的退化会导致荧光衰减和信号不稳定[17]，[18]，[19]，[20]。为了提高基于CdSe的荧光材料的高温性能，封装技术被广泛采用。此类设计可以减少表面氧化并提高结构稳定性[21]，[22]，[23]。然而，它们也可能引入额外的热阻、降低响应速度并增加制备复杂性。更重要的是，这些结构仍然无法完全抑制量子点的热猝灭。在此背景下，微晶体提供了一种替代方案，因为其更大的晶体尺寸和更稳定的表面结构使其比纳米级量子点具有更好的高温稳定性和热传感可靠性[18]，[24]，[25]。

在实际热传感应用中，荧光材料可与能够实现高效光学激发和信号采集的平台进行集成。光纤在这方面具有独特的优势，包括体积紧凑、柔韧性强、抗电磁干扰，同时还能支持在受限或恶劣环境中的远程操作[26]，[27]，[28]。通过将CdSe晶体与光纤集成，可以实现一种传感器，该传感器结合了荧光材料的热鲁棒性和光学响应以及光纤的柔韧性和抗干扰能力，为高温环境下的热传感提供了一种实用方案。

本工作提出了一种基于CdSe荧光的光纤高温传感器，以将工作温度范围拓展至超越传统CdSe量子点传感器的范围。该传感器通过物理沉积技术将荧光CdSe直接沉积到光纤探头上，随后施加SiO₂保护层以提高其在高温高湿条件下的稳定性和可靠性。通过分析传感器在升温和高湿条件下的传感稳定性，可以系统地评估其性能。此外，可以利用实际电子设备进一步评估传感器的动态热响应特性和温度测量精度。本工作展示了一种兼具高温传感能力和强环境稳定性的荧光传感器，适用于复杂环境中的局部温度测量。

章节摘要

荧光温度传感原理

CdSe是一种II-VI族直接带隙半导体，室温下带隙约为1.74 eV。在外激发下，电子从价带跃迁到导带，随后发生辐射复合，产生荧光。随着温度升高，CdSe的带隙减小，从而降低了辐射复合过程中释放的光子能量。根据光子能量与波长的反比关系，这将导致

结果与讨论

本节利用上述测量装置系统地评估了所提出传感器的性能，并对结果进行了讨论。

结论

通过将CdSe微晶体直接沉积到锥形光纤探头并引入SiO₂保护层，开发了一种基于CdSe微晶体的光纤温度传感器。CdSe微晶体的使用有效地将工作温度范围扩展至430℃，而保护层提高了传感结构在高温、高湿和液体条件下的稳定性。该传感器还成功跟踪了

CRediT作者贡献声明

李少英：撰写——初稿、可视化、调查、形式分析、数据管理。陈娜：撰写——审阅与编辑、经费获取、概念构思。刘振民：研究方法。商雅娜：监督指导、经费获取。刘勇：监督指导。魏海明：撰写——审阅与编辑、可视化。刘曙鹏：监督指导。王廷云：监督指导、经费获取。

资助

本工作由中国国家自然科学基金资助（项目编号：62027818, 62175142, U24A20321）。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

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