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光学温度測定への応用による光子アップコンバージョンにつながるエネルギー移動現象

温度は物質の基本的な特性であり、物質の暖かさの程度に関連しています。温度は温度計によって測定されます。温度計は、温度を推定するために何らかの温度依存要素を含む必要があるデバイスです。たとえば、ガラス管内の液体水銀の量などです。

電気、機械、化学、および生物学的システムの動作状態を評価するために使用できます。さまざまなタイプの温度計または温度センサーの中で、光学応答に基づくものは、温度を遠隔でリアルタイムに大規模に読み取ることができるため、特に魅力的です。

たとえば、光ファイバー温度計は、非毒性、非導電性、非腐食性の要素を備えているため、有利です。光ファイバー温度計の 1 つのクラスは、温度による蛍光スペクトル プロファイルの変化に基づいており、このカテゴリには、ランタニド ベースの光学温度計があります。ランタニドは、便利な固体ホストに組み込むと、広いスペクトル範囲 (UV から近赤外に及ぶ) で蛍光を生成する可能性があるため、特に興味深いものです。

この特性により、ランタニドをドープした材料 (LDMAT) は、照明およびディスプレイ技術で使用される一般的な蛍光体になりました。光学式温度測定への応用に関しては、発電所や製油所など、接触式温度計を使用できない環境では、光ファイバー形式の LDMAT が最有力候補と考えられてきました。最近では、ナノ粒子形態の LDMAT を使用した光学温度測定が、ラットを使用した研究で成功裏に採用され、リアルタイムの温度調節が重要な光熱腫瘍内療法への使用の可能性が示されました。

ホルミウムはランタニドであり、結晶ネットワークに組み込まれると、4f 電子殻内の遷移により可視スペクトル範囲で蛍光を生成する可能性があります。可視域での蛍光は、一般に、サンプルを近赤外光にさらすことによって、ホルミウムをドープした材料で生成されます。このプロセスは、エネルギーアップコンバージョンとして知られています。フッ化カルシウム粉末にドープされたホルミウムのアップコンバージョン蛍光特性を調査し、サンプルの温度が室温よりも高くなると、その蛍光の見かけの色が緑色から黄色に変化することを観察しました。

色の変化は、緑と赤のスペクトル領域でピークに達したホルミウムの 2 つの蛍光線間の相対強度が温度によって変化するために発生します。ホルミウムの電子集団のダイナミクスに基づいて、温度による蛍光の色の変化を説明できるレート方程式モデルを開発しました。

この種の温度計の温度感度は、緑と赤の輝線間の蛍光強度比が温度とともに変化する速度を分析することによって推定されました。これは、励起源と検出の変動に依存しないため、温度のリアルタイム読み取りを実行するための信頼できる方法です。この方法は、信号処理に単純な 2 チャネル信号分割電子回路を使用できるため、安価でもあります。

これらの発見は、Ho:Yb:CaF2 のフォトン アップコンバージョンにつながるエネルギー移動現象の研究というタイトルの記事で説明されています。 最近ジャーナルCurrent Applied Physicsに掲載された結晶性粉末とその温度感知特性。この研究は、フルミネンセ連邦大学の Glauco S. Maciel によって実施されました。


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