本發(fā)明屬于光學(xué)傳感領(lǐng)域，具體涉及一種利用激光的熱效應(yīng)規(guī)律改進上轉(zhuǎn)換熒光強度比測溫技術(shù)的精度的不依賴激發(fā)光強的上轉(zhuǎn)換熒光強度比測溫方法。

背景技術(shù)：

溫度是表征物體冷熱程度的物理量，在科研、工業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有十分重要的地位。隨著微電子學(xué)、光子學(xué)、納米醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展，傳統(tǒng)的熱電偶、熱電阻等利用電信號來表征溫度的傳感元件難以實現(xiàn)微納米尺度范圍的溫度測量，尤其是某些特殊的需要較高空間分辨率及測量精度的生物測溫應(yīng)用。例如：在各種癌癥治療方案中，高溫?zé)岑熓且环N低成本、易操作、副作用小的癌癥治療方法，該方法可以明顯增加常規(guī)治療手段對腫瘤的局部空置率、改善遠期生存，具有其它治療手段無法比擬的作用。對于熱療方法，要保證殺死腫瘤細胞而不傷害周圍健康組織，溫度是治療過程中的關(guān)鍵參量，實現(xiàn)局域溫度的精確測量十分必要。除了癌癥治療，精確測溫在其它醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也有重要的應(yīng)用：如藥物的可控釋放、減輕肌肉痙攣、定量病毒檢測等。當前臨床上通常采用有損測溫方式，即在局部麻醉后將測溫元件通過穿刺置入人體內(nèi)，基于待測組織中心單點，或周圍多點來監(jiān)測溫度，明顯這種有損測溫的方法操作復(fù)雜且精度較低。為了克服傳統(tǒng)侵入式測溫技術(shù)的局限,急需探索新型溫度響應(yīng)納米材料，建立全新的溫度測量方法，以及設(shè)計結(jié)構(gòu)新穎的納米級溫度傳感器。

基于上轉(zhuǎn)換熒光強度比技術(shù)，使用稀土摻雜納米材料作為測溫探頭能夠較好的解決上述問題。一方面，熒光強度比技術(shù)由于采用比值的測量方法，能夠減少外界環(huán)境及信號強度的浮動對測量結(jié)果的影響。另一方面，上轉(zhuǎn)換熒光的激發(fā)光通常處于近紅外波段，具有較強的組織穿透能力；對有機組織造成的損傷較??；相應(yīng)產(chǎn)生的背景熒光干擾較低，因此適用于生物應(yīng)用。將稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米材料作為熒光強度比技術(shù)的測溫探頭，在原有熒光強度比技術(shù)自身優(yōu)勢的基礎(chǔ)上進一步整合了上轉(zhuǎn)換納米材料的特性，能夠滿足生物體內(nèi)的微納米尺度及高精度的測溫需求。

熒光強度比測溫原理是利用源自發(fā)光中心的一對熱耦合能級向低能級躍遷產(chǎn)生的熒光強度進行溫度監(jiān)測。其表達式為，

其中I₂和I₁分別為兩個熱偶合能級輻射的熒光強度，C為由材料決定的常數(shù)，ΔE為能級間距，k為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度。

利用熒光強度比技術(shù)測溫，首先需要根據(jù)公式1標定該測溫儀的參數(shù)，即公式中的常數(shù)C及能級間距ΔE。標定時，一般會使用比較小的激發(fā)光功率，其目的在于忽略入射激光在探針上產(chǎn)生的加熱效果。通常認為，如果所使用的激光功率不能引起熒光強度比數(shù)值的明顯變化，則可以忽略其熱效應(yīng)。然而根據(jù)圖1所示，盡管使用較低的激光功率確實能夠保證熒光強度比值不會出現(xiàn)明顯的上升，但是在這個熒光強度比值的“穩(wěn)定區(qū)”當中，仍然會出現(xiàn)明顯的激光加熱效應(yīng)(圖2)。這就意味著熒光強度比測溫技術(shù)在進行標定的時候就會存在一定誤差，雖然可以通過減小激發(fā)光功率來降低這種誤差，但卻沒有辦法避免。并且使用小功率激光必然會造成熒光信號的減弱，也就是較低的信噪比，同樣不利于進行精確的標定。更重要的一點在于：由于激光加熱效應(yīng)的存在，在原則上，人們必須在測量時使用和標定時相同的激光功率(嚴格來講是相同的功率密度分布)，否則由于標定和測量時不同的激光加熱溫度會導(dǎo)致更大的誤差。

對于生物應(yīng)用而言，由于生物組織環(huán)境的復(fù)雜性，例如：生理組織對入射激光存在明顯的吸收及散射，以及很難確定納米測溫探頭的具體深度等，這些因素都使得人們很難確定照射到探頭上的實際激光功率是多少，所以無法保證測量與標定時激光功率的相同。

本發(fā)明擬提供一種不依賴激發(fā)光功率的上轉(zhuǎn)換熒光強度比測溫技術(shù)的改進方案，解決上述當前存在的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要目的在于提供一種簡單易行的提高稀土離子熒光溫度傳感器測溫精度的一種不依賴激發(fā)光強的上轉(zhuǎn)換熒光強度比測溫方法。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

(1)制備稀土離子摻雜上轉(zhuǎn)換納米材料作為測溫探頭；

(2)將測溫探頭至于電加熱盤上，調(diào)節(jié)加熱盤輸入功率至不同溫度，測量無激光入射情況下探頭實際溫度隨環(huán)境溫度的變化，用作標定公式中的T₀；

(3)在步驟(2)使用的加熱條件下，測量多組不同激光功率激發(fā)下的熒光強度比數(shù)據(jù)，測量過程中準直光束保證不同功率下光斑大小不變；

(4)在改進公式中，實測溫度T₀及激光功率P為雙自變量，C，ΔE，α為待定的標定參數(shù)，基于最小二乘法同時擬合步驟(3)中的多組數(shù)據(jù)，確定標定參數(shù)，

(5)在實際應(yīng)用中，使用兩種不同的激發(fā)功率測量對應(yīng)的強度比值FIR₁和FIR₂，利用公式

在已知標定參數(shù)及激光功率的情況下反推環(huán)境溫度數(shù)值T₀，實現(xiàn)高精度溫度傳感。

本發(fā)明的有益效果在于：

1、不在既有測溫系統(tǒng)中添加硬件，只需要在測量時采用多組光強數(shù)據(jù)即可，故本發(fā)明成本低廉，操作便捷。

2、可以使用較強的激光照射測溫探頭，相對傳統(tǒng)低功率泵浦具有更高的信噪比。

3、本方案不依賴于入射的激光功率，所以適用于復(fù)雜環(huán)境的生物體內(nèi)測溫。

附圖說明

圖1為熒光強度比值隨激光功率的變化；

圖2為測溫探頭溫度隨激光功率的變化；

圖3為本發(fā)明提出的改進方案與不同激發(fā)功率下傳統(tǒng)方法的測溫性能對比；

圖4為本專利的操作流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步描述。

本發(fā)明公開了一種改進的上轉(zhuǎn)換熒光強度比測溫技術(shù)。傳統(tǒng)的熒光強度比技術(shù)原則上應(yīng)該使用和標定儀器時相同的激光功率，這樣能保證激光的熱效應(yīng)在標定時與實際測量時相同。但是對于某些特殊情況，例如生物體內(nèi)的溫度傳感，由于生理組織對激光信號的吸收及散射，很難確保照射在測溫探頭上的實際激光功率與標定時相同，這種偏差將會導(dǎo)致明顯的測量誤差。本方案在傳統(tǒng)上轉(zhuǎn)換熒光強度比測溫公式中引入激光的熱效應(yīng)項，使用兩種激光功率測量對應(yīng)的強度比值，通過差值方法移除測溫公式中的激光功率項，最終求得周圍環(huán)境溫度。

本發(fā)明提供了一種不依賴激發(fā)光源強度的熒光強度比測溫方法，能夠有效提高測溫精度，具有不添加附件、操作簡單等優(yōu)點。一種改進的上轉(zhuǎn)換熒光強度比測溫技術(shù)，基于激光熱效應(yīng)的線性規(guī)律，將激光產(chǎn)生的加熱項引入到傳統(tǒng)的熒光強度比標定公式中，利用多組數(shù)據(jù)標定改進的測溫公式。在具體應(yīng)用時，使用至少兩種功率的激光激發(fā)測溫探頭獲得多個熒光強度比值，通過差值運算移除激光加熱溫度，最終實現(xiàn)生物體內(nèi)的高精度溫度傳感。本發(fā)明利用近紅外激光功率與探頭溫度之間的線性規(guī)律。本發(fā)明使用無激光激發(fā)情況下的探頭實測溫度作為環(huán)境溫度進行標定。本發(fā)明在傳統(tǒng)上轉(zhuǎn)換熒光強度比標定公式中引入激光產(chǎn)生的溫度修正項。本發(fā)明使用至少兩個不同的激光功率進行測量。本發(fā)明通過差值運算移除激光功率對溫度的影響。

本發(fā)明具體為使用多組激光功率測量對應(yīng)的熒光強度比值，基于激光的加熱效應(yīng)，修正測量溫度中入射激光引起的溫度效應(yīng)，從而減少測量誤差，提高精度。

為達到上述目的，本發(fā)明的實現(xiàn)原理如下。

當激光照射在稀土摻雜納米材料表面時，入射能量一部分被材料吸收，另一部分則被散射至外界。由于稀土離子的上轉(zhuǎn)換量子效率較低，所以被吸收的光子能量中只有少部分能轉(zhuǎn)化為材料的熒光信號，其中的絕大部分將通過晶格聲子轉(zhuǎn)化為熱量。這些熱量又會有相當部分通過熱輻射或熱對流發(fā)散至外界，最后剩余的部分存儲在材料中，使其溫度升高，以上即為激光加熱的物理過程。

實驗表明，稀土摻雜上轉(zhuǎn)換熒光材料的溫度隨激光功率線性增加(如圖2所示)。因而可以將這種線性關(guān)系引入到熒光強度比標定公式當中，可得

其中α為材料的光熱轉(zhuǎn)化系數(shù)，T₀為環(huán)境溫度。

利用上述改進的熒光強度比標定公式，可以使用兩種不同的激光功率來進行傳感，假設(shè)在功率為P₁時測得的熒光強度比值為FIR₁；功率為P₂＝AP₁時測得的比值為FIR₂。則可以通過差值運算將公式(2)中的激光功率消去，最終獲得環(huán)境溫度T₀。具體公式如下：

實施方式如圖4所示，具體如下：

步驟1制備稀土離子摻雜上轉(zhuǎn)換納米材料作為測溫探頭。

步驟2將測溫探頭至于電加熱盤上，調(diào)節(jié)加熱盤輸入功率至不同溫度，測量無激光入射情況下探頭實際溫度隨環(huán)境溫度的變化，用作標定公式中的T₀。

步驟3在步驟2使用的加熱條件下，測量多組不同激光功率激發(fā)下的熒光強度比數(shù)據(jù)，測量過程中準直光束保證不同功率下光斑大小不變。

步驟4在改進公式(2)中，實測溫度T₀及激光功率P為雙自變量，C，ΔE，α為待定的標定參數(shù)，基于最小二乘法同時擬合步驟3中的多組數(shù)據(jù)，確定標定參數(shù)。

步驟5在實際應(yīng)用中，使用兩種不同的激發(fā)功率測量對應(yīng)的強度比值FIR₁和FIR₂，利用公式(3)在已知標定參數(shù)及激光功率的情況下反推環(huán)境溫度數(shù)值T₀，實現(xiàn)高精度溫度傳感。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、原理、技術(shù)方案和有益效果進行了詳細說明。所理解的是以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，而不用于限制本發(fā)明。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。