稀土掺杂微球集成器件的光学传感特性研究
摘要
稀土离子具有丰富的能级结构，在泵浦光的激励下，可以产生紫外?可见?红外超宽
光谱范围内的跃迁吸收和荧光辐射，因而稀土离子掺杂玻璃材料被广泛的应用在激光器、
放大器、光通讯等诸多领域。随着微纳加工技术的提升，可以通过激光熔融等多种方法
制备稀土离子掺杂玻璃微球，将传统回音壁模式微腔体积小、易集成的特点与稀土离子
掺杂材料优异的光致发光特性相结合，进一步拓展了稀土掺杂玻璃材料的应用领域。然
而目前绝大多数都采取近场耦合方式实现对稀土掺杂微球的激发，暴露在空气中的耦合
系统稳定性差、易受测试环境参数的影响，难以应用在复杂多变的实际场景中。因此，
本论文旨在提出一种新型的稀土掺杂微球耦合和封装方式，制备基于稀土掺杂微球的集
成结构，并对其光学特性进行分析，对其在光学传感领域的应用进行探索，为稀土离子
掺杂玻璃材料的集成化、小型化发展提供了新的研究思路。本论文的主要研究内容如下：
1.对光纤与微球耦合的基本原理以及耦合方程进行了分析和推导，设计并制备了
一种三悬挂芯中空光纤，借助其内部的空气孔，完成了无源微球集成结构的制备。然后
对该集成结构的传输光谱进行了测试，结果表明微球中的回音壁模式被有效激发，与其
他近场耦合方式相比，该结构极大的提高了耦合系统的稳定性。
2.探索了稀土离子掺杂玻璃及玻璃微球的制备工艺，分别制备了Er3+-Yb3+离子共
掺锗酸盐玻璃和玻璃微球，并将微球集成在悬挂芯中空光纤内部。在980nm激光的泵
浦下，玻璃及玻璃微球均实现了可见光上转换荧光发光。通过改变Er3+、Yb3+离子的掺
杂浓度以及调节980nm激光泵浦功率大小，分别实现了对玻璃和玻璃微球集成结构的
上转换发光过程的调控，其荧光发光颜色呈现明显的变化，证明该集成器件在彩色成像
等领域具有一定的应用潜力。
3.探索了Er3+-Yb3+离子共掺碲酸盐玻璃微球集成器件在温度传感领域中的应用。
利用粉末漂浮法制备了Er3+-Yb3+离子共掺碲酸盐玻璃微球，并将微球集成在悬挂芯中空
光纤内部。根据热力学统计原理，稀土离子能级上的粒子数遵循玻尔兹曼分布规律，通
过测量受温度影响不同的2个热耦合能级的荧光强度比可以实现光学测温。因此，在980
nm激光的泵浦下，得到了Er3+离子热耦合能级对应的中心波长在528nm和549nm的
上转换发光峰。通过测量荧光强度比(I528/I549)与环境温度的数值关系，在300?380K范
围内，利用该器件实现了最大绝对灵敏度为38.6×10-4K-1的温度传感测量。
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哈尔滨工程大学博士学位论文
4.探索了Er3+-Yb3+离子共掺碲酸盐玻璃微球集成器件在实现水中氨浓度检测上的
应用。利用980nm激光器泵浦Er3+-Yb3+离子共掺碲酸盐玻璃微球集成器件，实现了Er3+
离子绿色和红色上转换可见光发光。由于在碱性环境下，苯酚红指示剂的吸收峰漂移至
560nm附近，与Er3+离子绿色荧光发射带重叠，因此通过监测荧光强度比(I/I)的变
绿红
化可以实现对水中氨浓度的检测，检测极限为0.5ppm，响应时间为0.2s。
本论文提出并制备了一种新型的稀土离子掺杂微球耦合结构，实现了对稀土离子掺
杂玻璃微球的集成和封装。使用近红外激光泵浦该集成微球器件，特种光纤内置的稀土
掺杂微球的光致发光特性被有效激发，对其上转换荧光发光进行调控可以得到明亮且丰
富的荧光颜色变化，结合荧光强度比技术可以实现温度传感以及水中氨浓度检测。未来
随着研究的深入，该集成器件有望在更多领域中得到应用。
关键词：集成微球器件；稀土掺杂微球；特种光纤；上转换；光学传感
II
稀土掺杂微球集成器件的光学传感特性研究
Abstract