Разработка активных элементов для волоконно-оптических датчиков температуры

В настоящее время датчики температуры на основе чувствительного оптического волокна хорошо зарекомендовали себя как в противопожарных системах, так в и системах мониторинга состояния производственных и строительных объектов. Преимущество оптоволоконных датчиков температуры заключается в возможности вынести чувствительный элемент далеко за пределы электрической схемы и поместить его в экстремальные окружающие условия, такие как высокое или низкое давление, высокая влажность, химически агрессивная среда, сильное внешнее электромагнитное поле. В большинстве случаев в качестве чувствительного элемента датчиков температуры выступает силикатное волокно с записанным на нем набором Брэгговских решеток. Точность таких датчиков высока, при этом высоки и требования к стабильности лазерного источника и разрешающей способности приемника излучения, что приводит к их высокой стоимости. Более дешевыми, менее требовательными, но не менее точными аналогами датчиков на основе Брэгговских решеток являются датчики температуры на основе люминесцентного оптического стекла. Известно, что молекулярные кластеры, содержащие ионы одновалентной меди, обладают интенсивной люминесценцией в видимой области. Органические соединения, состоящие из кластеров одновалентной меди, обладают термохромной люминесценцией: цвет возбуждаемой ультрафиолетовым излучением люминесценции меняется с изменением непосредственной температуры соединения. Такие соединения могут быть использованы как биосовместимые датчики температуры, однако их рабочий диапазон температур ограничен -196 - +20°С, а интенсивность люминесценции со временем деградирует. Введение медьсодержащих кластеров в неорганические стекла позволяет стабилизировать эмиссионные свойства люминесцентных комплексов, а также расширить их рабочий интервал температур. 
Для разработки активных элементов оптических датчиков температуры был проведен синтез стекла калиевоалюмобратной матрицы классическим методом плавки в тигле. Для создания молекулярных кластеров меди в оптических стеклах в процессе синтеза в стекло вводятся ионы меди и ионы галогенов, которые необходимы для поддержания восстановительных условий и перевода меди в одновалентное состояние. Полученные после синтеза молекулярные кластеры проявляют термическую и временную стабильность. При этом неорганическое стекло сохраняет прозрачность в видимой области спектра. Основными задачами являлись, в первую очередь, оптимизация состава шихты для получения необходимой степени окисления ионов меди и оптимизация технологических параметров синтеза для получения однородного оптически прозрачного материала. В рамках данного исследования было синтезировано 15 составов стекла. 
 
Фотографии люминесценции боратного стекла, активированного молекулярными кластерами меди, в температурном интервале температур 22-300 °С (длина волны возбуждения 405 нм)
 
Спектры люминесценции боратного стекла в диапазоне температур -196   +300°С с шагом 30 °С (нормирование спектров произведено на интенсивность люминесценции при комнатной температуре) (длина волны возбуждения 405 нм)
 
В результате исследования были получены стеклокерамики, легированные молекулярными кластерами меди, обладающие интенсивной люминесценции в видимой области спектра при возбуждении излучением с длиной волны 405 нм. Изменение температуры неорганических стёкол с молекулярными кластерами меди с 22 до 300°С приводит к изменению цвета люминесценции с красного на зелёный. Данный эффект является обратимым и многократно повторяемым, и вследствие этого получил название «люминесцентный термохромизм». Изменение цвета люминесценции стёкол связано со сдвигом максимума спектра люминесценции: на 0,34 нм/К. Разработанные материалы не уступают и даже превышают температурную чувствительность уже известных. Таким образом, высокая температурная чувствительность спектральных свойств полученных боратных стекол, активированных молекулярными кластерами меди, позволяет использовать их для создания активных элементов оптических датчиков температуры.
 
Спектры люминесценции силикоборатного стекла в диапазоне температур 293-600 К (А) (с шагом 10 К). На вставке: зависимость положения максимума люминесценции силикоборатного стекла от температуры (λвозб=405 нм)
 
Фотографии изменения цвета люминесценции стекла в температурном интервале 293-473 К (λвозб=405 нм)