为提高接触式柔性光纤温度传感器的稳定性和抗干扰性，提出了一种基于荧光强度比技术解调方法的上转换荧光纳米粒子掺杂的柔性荧光光纤温度传感器。稀土离子掺杂的复合柔性光纤受激发射出稳定荧光，依靠上转换纳米粒子热耦合能级对温度的依赖特性，热耦合能级对应的中心荧光峰的强度随着温度的变化而变化。所提柔性光纤温度传感器将掺杂Er³⁺的热耦合能级对应的中心荧光峰强度的比值作为温度的表征值，且其温度响应表现为热增强型，即荧光强度随着温度的升高而增强。实验结果表明柔性光纤温度传感器表现出强稳定性和强抗干扰性，同时具备良好的柔性和变形能力、高灵敏度和可重复性，最大绝对灵敏度为0.0038 ℃^-1、最大相对灵敏度为1.29 %/℃。

荧光强度比测温技术在生物组织内部实现了快速和无创的温度探测, 但在实际应用中仍受荧光热猝灭及生物组织较大摘的吸收与散射的影响。本工作采用一步水热法制备了长方体 ScF3: Yb3+/Er3+纳米晶, 利用 ScF3特有的负热膨胀属性, 提高了激活剂与敏化剂之间的能量传递效率, 实现了上转换发光整体 34倍的热增强。同时, 引入 Nd3+构建了近红外-近红外高灵敏度的温度探针(Sa = 0.112 0 K-1在 400 K), 并通过对测温曲线的矫正和离体实验, 证明了样品在组织内部的测温性能, 为解决上转换发光热猝灭和开发生物近红外发射温度探针提供了新的设计思路。

温度是贯穿日常生活、工业生产和科研等领域的重要物理参数之一。因此, 实现准确可靠的温度测量至关重要。目前, 非接触式温度传感测量引起了科研工作者广泛的关注, 稀土上转换发光材料的光温传感研究已成为其中的一个热点。本文重点综述了上转换材料的光学测温机理、稀土上转换荧光粉和上转换微晶玻璃在光温传感领域的最新研究进展以及依托于光温传感的其他功能化应用。最后, 基于稀土上转换发光材料在光温传感领域的研究成果和尚且存在的问题, 对上转换材料在光温传感方向的未来发展趋势进行了详细的展望。

采用熔融急冷法在母体玻璃中原位析出四方LiYF4和立方ZnAl2O4两种纳米晶。结构和光谱表征表明Ln3+(Ln=Eu, Tb, Dy)随玻璃原位晶化进入LiYF4晶相, 而Cr3+进入ZnAl2O4晶相中, 因此发光中心Ln3+和Cr3+实现空间隔离, 有效抑制其能量传递, 从而同时得到Ln3+和Cr3+的高效发光。此外, 利用Ln3+和Cr3+发光对温度的不同响应, 实现Ln3+/Cr3+的荧光强度比温度传感。在 377 nm波长激发下, Tb3+和Cr3+同时被有效激发, 并且Tb3+: 5D4→7F5和Cr3+: 2E→4A2能级跃迁强度比呈现出强烈的温度依赖特性, 测温相对灵敏度在570 K时达到最大值0.80%·K-1; 在364 nm波长激发下, Dy3+的4F9/2→6H13/2和Cr3+离子的2E→4A2能级跃迁强度比随温度变化而剧烈变化, 测温相对灵敏度在573 K时达到最大值0.86%·K-1。因此, 双晶相玻璃陶瓷可有效隔离Ln3+和Cr3+等不同发光中心, 同时实现高效发光, 有利于荧光强度比光学测温, 同时也拓展了玻璃陶瓷材料的应用。

采用熔融淬火法制备了KLu₂F₇：Er³⁺/Yb³⁺纳米晶复合玻璃陶瓷样品，利用X射线衍射仪表征了玻璃中析出的纳米晶种类，晶体结晶度可达28%。分光光度计测试验证了所制备的玻璃陶瓷具有较高的光学透过率（可保持89%左右的透过率）。在980 nm激光泵浦下，玻璃陶瓷样品的上转换发光增强了约847倍，并且发现上转换绿光和红光均属双光子过程。基于荧光强度比技术，在温度313~553 K范围内研究了Er³⁺一对热耦合能级²H_11/2 和 ⁴S_3/2的荧光测温性能，对应的绝对测温灵敏度和相对测温灵敏度分别达到了11.03×10^-4 K^-1和738.45 T^-2·K^-1。该研究结果为氟化物基玻璃陶瓷在高温传感领域性能探索提供了数据参考。

采用CO2激光区熔法制备了Lu2O3∶0.5%Er3+/x%Yb3+(x=1, 3, 5)上转换荧光材料。X射线衍射结果表明, 所制备的Lu2O3∶Er3+/Yb3+荧光材料具有纯Lu2O3晶相。在980 nm激光激发下, 样品发出明亮的上转换荧光。光谱测试结果表明, 样品上转换荧光强度和荧光中绿光与红光比例随Yb3+离子浓度改变, 当Er3+和Yb3+离子浓度分别为0.5%和3%时, 样品上转换荧光强度最强。通过荧光强度比(FIR)技术研究了样品Lu2O3∶0.5%Er3+/3%Yb3+在298~873 K温度范围内上转换荧光温度传感特性, 在532.8 K时最大绝对灵敏度为0.006 0 K-1, 在298 K时最大相对灵敏度为0.009 0 K-1。结果表明, Lu2O3∶Er3+/Yb3+荧光材料非常适合用于宽温度范围荧光温度传感。

稀土倍半氧化物单晶光纤材料凭借超高的熔点(~2 400 ℃)、稳定的物化性能以及灵活的结构被认为是极具潜力的高温传感介质。本文采用激光加热基座(LHPG)法, 成功生长了透明无开裂Dy3+离子掺杂的倍半氧化物单晶光纤Lu2O3 和Y2O3 。依据Dy3+离子的4I15/2和4F9/2能级为一对热耦合能级对(TCLs), 测试得到了430~520 nm波长范围内的下转换荧光光谱。荧光强度比(FIR)结果显示, 晶体在298~673 K温度范围内的荧光强度具有良好的温度相关性。其中Dy∶Lu2O3 在该范围内的最大相对灵敏度和绝对灵敏度分别为0.97%·K-1(315 K)和1.62×10-4 K-1(673 K), 展现出更为优异的温度传感性能。