上轉換溫度特性的分析根據發射光譜可知,Tm³⁺的³F₂與³F₃能級間距較小,理論上基於螢光強度比的方法利用689和705nm紅色上轉換螢光可實現溫度測量.為了瞭解有關光學溫度感測器的特性,我們研究了980nm二極體雷射器抽運下,在313—773K溫度範圍內下來自Tm³⁺/Yb³⁺共摻CaWO₄樣品中Tm³⁺的兩個鄰近紅色發光帶隨溫度變化的螢光譜,如圖6所示,相應鐳射功率為330mW.從圖中很明顯地觀察到,隨著溫度的升高,螢光強度大幅度增強,但是發射峰的位置並沒有改變.相比較313K溫度下的689和705nm的螢光強度,773K溫度測得的螢光強度分別增強了14和12倍.這是因為當樣品溫度升高時,低能級³H₄上的Tm³⁺借助於熱激發躍遷至高能級³F_2,3,使能級³F_2,3上的粒子數增加,即導致了I689和I705增強.並且由於溫度的升高,低能級3F3上的Tm3+熱布居到高能級³F₂,從而使689與705nm處的螢光強度比隨著溫度的升高是增加的.因此,³F₂與³F₃這兩個熱耦合能級對可以被用在利用螢光強度比技術的光學測溫裝置中,實現非接觸式的溫度測量.



 

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為了進一步說明Tm³⁺,Yb³⁺共摻CaWO₄中的能量傳遞和上轉換發光機制,圖5給出了Tm³⁺,Yb³⁺的能級結構.由於Yb³⁺對980nm的鐳射有強烈吸收,所以當Yb³⁺與Tm³⁺共摻時,Yb³⁺可以將能量傳遞給Tm³⁺,起到敏化劑的作用,從而增強Tm³⁺的上轉換發光.具體的上轉換過程如下:在980nm雷射器的抽運下,首先Yb³⁺吸收一個980nm的光子發生²F_7/2→²F_5/2的躍遷,處於激發態的Yb³⁺將能量轉移給基態Tm³⁺的³H₆能級使其躍遷至³H₅能級.由於Yb³⁺的²F_5/2能級和Tm³⁺的³H₅能級能量並不完全匹配,所以Yb³⁺向Tm³⁺的能量傳遞過程需要在聲子的輔助下完成.處於³H₅能級的Tm³⁺非輻射弛豫到³F₄能級,而在³F₄能級的Tm³⁺可以繼續從Yb³⁺獲得能量躍遷至更高的³F_2,3,這時³F_2,3上的離子一部分完成³F₂→³H₆和³F₃→³H₆躍遷,發出689和705nm的紅光,此為2光子吸收過程.另一部分³F_2,3上的Tm³⁺也可以非輻射弛豫到低的能級³H₄.此外在³H₄能級的Tm³⁺也能繼續從Yb³⁺獲得能量從而被激發到更高的¹G₄能級,這樣通過吸收3個光子後¹G₄→³H₆藍色躍遷(477nm)和¹G₄→³F₄紅色躍遷(749nm)就產生了.但是對於689和705nm的紅光,根據雙對數曲線擬合得到的2.42和2.38,我們認為這部分的上轉換機制應該來自兩部分,一部分是前面所說的兩光子過程,而另外一部分為3光子過程,即通過3次能量傳遞躍遷到¹G₄上的離子非輻射弛豫到³F_2,3能級,完成³F₂→³H₆和³F₃→³H₆的躍遷.



 

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Tm3+,Yb3+共摻鎢酸鈣發光強度與抽運動率的雙對數曲線分析。



為了更好地瞭解Tm³⁺的上轉換機制,我們對Tm³⁺的藍光和紅光波段的上轉換發射強度與雷射器的激發功率之間的關係進行了研究.在非飽和狀態下,某激發態能級向低能級躍遷產生的螢光強度I與抽運功率P滿足下列關係式:I∝Pn,I是螢光強度,P是抽運鐳射功率,n為每發射一個可見光子所吸收的激發光子的數目,∝表示正比於.樣品的雙對數lgI-lgP曲線如圖4所示.從圖中可以看出,擬合得出的n值分別為2.83,2.78,2.42,2.38.表明樣品的上轉換藍光和紅光4個發射帶的產生是基於3光子和雙光子的吸收過程.

 

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射波刀（Cyberknife）是一種可治療多種癌症的革新性技術，是繼伽瑪刀之後一種最新的可以切除腦腫瘤的微創手術。由於鎢合金材料高密度，高輻射屏蔽能力及無毒環保性，是製造鎢合金射波刀的重要組件。

鎢合金射波刀在進行放射手術前，醫生首先會經CT或MRI掃描出來的病灶點圖像儲存在一個電腦內，而追蹤病人頭部的移動，則利用一套整合的X線影像處理系統 (Image Process System, IPS)，其中包括兩個矩形的X線攝像機。X線攝像機可製造一對傳輸圖像，這些圖像由一對螢光屏幕、影像增強器及CCD攝像機攝取。高速度的電腦便可依 靠分析這些圖像數據，來計算出病灶點的位置。

當鎢合金射波刀手術進行時，X線追蹤系統會不斷把術中所拍攝出來的低劑量骨骼剖析圖像(Bony Anatomy)與先前儲存在電腦內的病灶點圖像相互比較，以便決定腫瘤的正確位置，再把這些數據輸送至機械臂，使其可對準病灶點。

治療計畫系統(TPS)通過所獲取的腦部組織的三維圖像，計算出病灶點需承受的放射劑量。放射光束從不同的方向聚焦至病灶點，使病灶點承受高劑量的放射，減少對周圍的組織的放射。

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射波刀（Cyberknife）是一種可治療多種癌症的革新性技術，是繼伽瑪刀之後一種最新的可以切除腦腫瘤的微創手術。由於鎢合金材料高密度，高輻射屏蔽能力及無毒環保性，使其成為製造射波刀儀器的首選屏蔽材料。

射波刀（Cyberknife）是利用一個能產生6MVX射線、重285英鎊由鎢合金材料製造而成的輕型直線電子加速器(Linear Electron Accelerator)。該系統設有一個三維機械臂，並把鎢合金直線加速器依附在機械臂上。通過電腦(UNIX工作臺)運算，採用圖像引導技術獲取的低劑量三維放射圖像，由CT掃描來追蹤 腫瘤位置，然後再以正確劑量的放射線來切除腫瘤。此技術的準確率非常高，誤差可小於毫米。這種技術稱為CMSR(Computer Medicated Stereotactic Radiosurgery)。

射波刀（Cyberknife）的一個特點是它有一個多功能的機械臂，機械臂中安裝了鎢合金直線加速器，鎢合金直線加速器可通過機械臂的運動產生一個三維環形射線場使射線射出的射線定位精准度提高，也使機械操作更加簡便。

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圖3為Yb³⁺濃度對Tm³⁺,Yb³⁺共摻CaWO₄樣品的上轉換發光強度的影響.從圖中可以看出,隨著Yb³⁺濃度的增加,上轉換藍光(477nm)和紅光(649,689和705nm)的變化趨勢相似.兩種光的強度都是先隨著Yb³⁺濃度的增加而增大,當Yb³⁺摩爾百分比為3%時,強度都達到最大.隨著Yb³⁺濃度的繼續增大,兩種光的強度都逐漸減小,出現了濃度猝滅現象.出現這種現象的原因是Tm³⁺和Yb³⁺之間存在著能量傳遞和能量反傳遞.當Yb³⁺摩爾百分比在1%—3%變化時,隨Yb³⁺濃度增大,Yb³⁺向Tm³⁺能量傳遞是主要的能量傳遞方式,因此上轉換發光強度增大.但是當Yb³⁺摩爾百分比大於3%時,會出現Tm³⁺向Yb³⁺反向能量傳遞,並且Yb³⁺間也會發生交叉弛豫,因此Tm³⁺上轉換發光強度呈減小趨勢。

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樣品的XRD表徵圖1是CaWO₄:Tm³⁺,Yb³⁺的X射線衍射譜,與純CaWO₄樣品的X射線衍射譜符合得很好,並且與標準的白鎢礦的衍射卡片(PDF#85-0443)匹配良好,並未發現其他的衍射峰.由此可知,我們成功地製備了Tm³⁺,Yb³⁺共摻CaWO₄多晶.

上轉換光譜和機制分析圖2給出了室溫條件下在980nm抽運鐳射激發下測得的樣品的上轉換螢光譜.從圖中可以觀察到樣品在可見光區域有4個螢光帶,分別是中心波長為477nm的藍色螢光帶和中心波長為649,689和705nm的紅色螢光帶.其分別對應於¹G4→³H6,¹G4→³F4,³F2→³H6,³F3→³H6的躍遷.

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