一种应用于生物医学的荧光光纤温度计

　　1　引言

　　荧光光纤温度测量是用某种天然荧光物质受激荧光发射的光强比或荧光寿命来实现的。由于采用全光纤微小探头,使其具有完全的电绝缘性,不受高压电场和热干扰的影响,抗化学腐蚀和无污染,可用于高压设备、电子电路、材料处理和生物医学等领域。在生物医学领域,对温度精确地测量是很有必要的[1]。大多数情况下,人体正常温度在37℃左右,因此30~50℃是高分辨率和高精度测量很重要的温度范围。实际生物实验室多采用光学方法,测量温度范围在0~100℃甚至更高,误差较大[2],并且只能在特殊条件下对患者进行检测和护理。为此,本文提出利用敏感材料Cr∶LiSAF作为荧光物质的荧光光纤温度计,它具有精度高、使用方便的特点,测量范围特别适合生物体温,是一种非常有效和实用的温度测量方法。

　　2　荧光材料Cr∶LiSAF的吸收和发射光谱

　　Cr∶LiSAF的荧光发射和吸收光谱如图1。荧光发射段的波长范围为700~1 100 nm,其峰值波长为825 nm,它正好位于光电探测器的灵敏检测范围,该区域发射属于转化[3]。从吸收光谱可以看出在LiSAF中晶体场强大约为2. 0,在吸收波段的峰值波长大约为670 nm。这表明LiSAF是一种低场强晶体,在这种晶体场中,最低的激发态是4T2。根据玻尔兹曼原理,激发的Cr3+离子较少占据2E态,荧光寿命主要由材料中的的跃迁辐射和非辐射过程决定。荧光寿命对温度的依赖和荧光强度对温度的依赖具有相似的轮廓[4]。

　　3　系统组成及特点

　　图2是基于荧光寿命的Cr∶LiSAF的温度测量系统示意图。Cr∶LiSAF的吸收光谱波长范围在紫外区600~700 nm[5, 6],在接近750 nm处有一波谷。从图1可以看出,用激光二极管能够有效地激发或泵浦敏感物质Cr∶LiSAF,激发波长为670 nm,从而使发出的荧光信号具有高的信噪比,而且很容易检测。图2中,荧光信号经过一个简单的BG3滤光片,该滤光片在中心频率约720 nm处有较长的波长范围[6],这正好与图1中Cr∶LiSAF的发射光谱波长

匹配,从而使激发光和荧光在波长上分离,经滤光片滤出激励光,然后经光电探测器进入PLD2PMSR进行信号处理,得到荧光寿命,最后经单片机系统得到所测温度值。

　　虽然在该系统中,激励光的泄漏对荧光信号影响很小,但是在以亚历山大晶体(BeAl2O4∶Cr3+)作敏感元件的系统中,激光二极管输出的矩形脉冲并不是理想的,系统中信号采用PLD2AMTR调制技术,荧光寿命的测量只是用了荧光信号衰减的部分。而在该系统中采用脉冲调制双参考信号的锁相调制(PLD2PMTR)技术,利用了荧光信号的上升和衰减部分,由于方波信号比正弦信号携带更多的激励光功率,输入信噪比得到提高,标准精度达到0·01℃。另外方波信号调制激励光源方案比正弦调制更容易实现。锁相环检测荧光方案信噪比和精度高、结构简单,并有传统测温方案无法达到的高精度和高分辨率。