采用量子点纳米复合材料的光纤温度测量

技术领域

本发明涉及一种用于光纤温度测量的方法和装置。本发明还涉及采用包含聚合物和量子点(QD)的纳米复合材料(NK)的多模石英玻璃纤维及其制备。这些是基于光纤表面上量子点的依赖于温度的发射。

背景技术

对于许多应用来说，光学温度测量(固定或空间分辨)提供了较之电气测量的优势，并且在某些情况下是必不可少的。一些优点是例如更高的精度、与HV环境的兼容性、在测量点与评估装置之间可实现的大距离以及与通信网络中的光学数据传输的兼容性。

对于以下应用，光学温度测量已经比电气温度测量更优选：

-金属氧化物压敏电阻作为可变电阻器，用于电容器组保护(固定测量)

-基于物理接触的接通/关断开关(固定测量)

-中压线和连接点(取决于位置)。

基于关键部件和大型工厂的状态测量，对大量数据进行智能评估和预防性维护可帮助避免大型工厂更长的停机时间。因此，新的光纤传感器支持数字业务模型。

US 2010/0188652公开了涂覆有包含量子点(QD)的介质的单模光纤，该介质被施加到光纤段而没有包层。介质的折射率低于纤芯的折射率(参见其[0044]段)。例如，在US2010/0188652中，建议对此介质使用PMMA。PMMA具有为1.48的折射率(在436nm的波长下)，并且因此不适合用作包层材料，也不适合于聚合物涂覆的石英玻璃纤维的多模应用。此外，该材料不能采用紫外线灯(汞蒸气灯，LED)来固化。

US 2013/0048841 A1公开了在光纤的包层或芯部中的QD。包层还具有允许光通过光纤传播的折射率(参见其第[0029]段)。但是，该文献没有提及在包层中具有紫外线固化聚合物的石英玻璃纤维。

US 2002/186921 A1公开了在光纤的包层中的QD，但是该包层不由聚合物组成。

US 2015/0369986 A1描述了具有纤芯和包层、用于发射出可见波长的漫辐射光纤，其中将散射层和可选的磷光体层施加到包层上。磷光体层可例如包含量子点。但是，包层不包含量子点。此外，没有详细解释包含QD的纳米复合材料。

Bueno等人("Temperature Sensor Based on Colloidal Quantum Dots-PMMANanocomposite Waveguides")描述了具有PMMA和QD(例如CdSe和CdTe)包层但不具有多模石英玻璃纤维的平面波导。如已经提到的，使用PMMA是不利的。PMMA在436nm波长处的折射率高于1.49[1,2,3]，并随波长减小而增加。在该波长下，石英玻璃的折射率低于1.47。这意味着，采用PMMA作为包层时，无法产生在石英芯中传播光的波导(没有给出全反射的条件)。因此，PMMA不适合用作包层材料。

Bueno等人提出了将量子点用于光学温度测量。但是，Bueno等人发现依赖于环境温度(25-50℃)，CdSe QD的中心波长的变化可忽略不计。

Jorge等人("Optical Fiber Sensing Using Quantum Dots"Sensors 2007,7,3489-3534)描述了具有QD矩阵的平面波导。在这种情况下，作者报告了通过旋涂制备的薄膜形式的两种几何形状。在任何情况下都没有提及其中包含QD的波导。特别地，所产生的具有QD的层不与光纤物理接触。QD位于“珀耳帖元件(peltiers)”上，并且纤维仅被用于泵浦波长的照明的目的。在纤维中传播的光波与QD既不纵向相互作用(直接在光纤端部)，也不横向相互作用(在包层中)。Jorge等人("Self-referenced intensity based opticalfiber temperature probes for luminescent chemical sensors using quantumdots",SPIE论文集,卷5855；第17届光纤传感器国际会议,第42-45页)描述了反射布置中的测量设置。

可从Optocon AK(optocon.de)获得测量仪器，这些仪器可基于砷化镓晶体片而操作温度传感器。这些晶体片具有反射波长依赖于温度而变化的性质。然而，这里的砷化镓是纯晶体而不是量子点。采用这种测量方法，需要使用成本高昂的宽带光源(超发光二极管，SLD)进行辐照，该光源必须覆盖反射的整个波长范围。取决于GaAs的能带边缘的移动，SLD的反射信号在波长上移动并采用光谱仪来进行测量。该方法限于GaAs晶体可反射的波长。

Photon Control公司(https://www.photoncontrol.com/technologies/)销售温度测量仪器，该温度测量仪器以与测量光呈纵向(即前表面)布置使用磷光探针。该测量原理基于磷光衰变时间的测量，并且因此取决于激发泵浦光的时序脉冲和信号的相应时间分辨率。与此相反，在根据本发明的测量方法中不对磷光信号进行测量。因此，不需要时间分辨的测量。

本发明基于使用半导体材料的纳米颗粒，即所谓的量子点(QD)。这些也被称为“人造原子”，这是因为在其德布罗意波长的长度尺度上包含电荷载流子会导致能级的量化。

先前在US 2015/0369986A1中报道了在侧向辐射纤维中使用QD来照射它们。提到了磷光层可含有QD，其中该磷光层被沉积在反射层(“散射层”)上，该反射层又沉积在包层上。包层本身被沉积在具有散射缺陷的纤芯上。没有详细解释含有QD的纳米复合材料。也没有提及纳米复合材料关于从一个确定的波长到另一确定的波长的转化的功能化。

在文献中已经研究了包含QD的纳米结构固体中不同的谐振器几何形状。关于此，目标是通过嵌入到激光谐振器中来证明激光性能。Beetz，("Herstellung undCharakterisierung von Halbleiterbauelementen für die integrierteQuantenphotonik",维尔茨堡大学学位论文(2014))借助于光子晶体(导光2D结构)实现了光学系统，其中QD位于波导的芯部(参见第5和6页的摘要)。

尽管先前报道的激光性能受到多激子(multi-excitonic)俄歇复合的限制，但Nurmiko和他的同事能够证明基于单激子的激光增益。1994年，Borrelli等人第一批使用“玻璃熔融-淬火法”在光纤预制件中引入量子点。这为掺QD的有源光纤的进一步工作铺平了道路(见G.Dong等人和Borelli等人)。

嵌入纳米复合材料中是产生被插入到激光谐振器的激光活性介质的另一种可能性。Gordillo等人已经证明了由CdS、CdTe和CdSe纳米颗粒和PMMA基质组成的纳米复合材料(Gordillo,"Color Tuning and White Light by Dispersing CdSe,CdTe,and CdS inPMMA Nanocomposite Waveguides,"IEEE Photonics Journal(2013))。通过旋涂制备纳米复合膜并烘干以固化。激光活性介质具有平面波导几何形状。介质位于激光腔体中，并采用脉冲UV激光来激发。结果是经过验证的激光操作。

本发明的目的是为基于光纤传感器的光学温度测量创造新的可能性。本发明解决了特定的273K至474K，即0℃至200℃的问题。

发明内容

在本发明的一个实施例中，提供了一种多模石英玻璃纤维，其具有纳米复合材料，该纳米复合材料具有聚合物和作为包层的QD(在本文中，由于QD被布置为横向于在纤芯中传播的泵浦光，因此也称为实施例“纳米复合材料作为包层”或“横向实施例”)。在该实施例中，可激发包层中的量子点，例如以在光纤护层中执行局部温度测量。

包层中QD的优点是QD是电气隔离的，且不受HV环境中的场的影响。由于数量很少的QD就足够了，因此可经济高效地工作。此外，可将纳米复合材料形成为期望的三维形状。低成本光源(LED/USB激光二极管)也可被用作泵浦光。

本发明尤其由于包层的低折射率而使得能够制备低损耗的波导。另外，该制备是特别有利的，这是因为所使用的丙烯酸酯(acrylate)可采用紫外线灯(汞蒸气灯、LED)快速而经济地固化。

根据本发明优选的氟化丙烯酸酯具有明显低于石英玻璃的折射率(约1.404)的折射率。因此，优点是本发明中使用的聚合物可被用于制备不易弯曲的石英玻璃波导。

根据本发明的石英玻璃纤维应当适合于传输非常高，特别是在970nm至2000nm之间的范围内的激光功率(S.Chang-用于高功率纤维的紫外线可固化的低折射率包覆涂层)。一个限制是激光波长必须远离QD的吸收波长。因此，优点是石英玻璃纤维可在一个波导中实现两项功能：光束传递和从蓝光到红光的转换。

根据本发明的石英玻璃纤维还非常适合在长距离(～5×10^2m，损耗0.5-1dB/m)内以低损耗(除了转换的光部分之外)传输泵浦波长(400-450nm)和信号波长(580-680nm)，其中信号波长是量子点发射的中心波长。所制造的纤维适合在大波长窗口(400nm-2000nm)中传输光信号。其原因是石英玻璃在该波长窗口中具有非常低的吸收。相反，PMMA波导在高于700nm具有很高的衰减(>1dB)/m，且因此不适用于高于该波长的波长(参见S.Abrate的“Step Index PMMA Fibers and Their Applications”(第183页))。这具有两个后果：1)采用PMMA无法实现波导的多功能性(970nm-2000nm之间的光束传递+转换)；2)如果选择由发射>700nm的其他材料制成的QD(例如在1550nm发射的InAs/InP)，则由于传输不良而无法观察到转换。因此，采用InAs/InP基纳米复合材料既不能制造波导也不能制造点传感器。泵浦辐射的主要部分(例如1060nm)将被吸收。采用本发明的石英玻璃纤维与包层中优选的氟化丙烯酸酯的结合，则没有丝毫限制。氟化丙烯酸酯还为玻璃纤芯提供了良好的机械保护。

采用本发明，还可将QD与聚合物基质组合，使得可自由选择泵浦波长/信号波长以及QD的几何形状和浓度/稀释度。可根据要使用的QD材料进行选择，然后确定泵浦波长/信号波长。波导的长度以及可用的泵浦功率将导致浓度/稀释度的确定，在波导处期望进行转换。

根据本发明提供多模石英玻璃纤维也是有利的。在单模光纤中，低阶模式仅与QD轻微相互作用，而多模纤维中较高横向模式的消逝场具有更大的穿透深度，并且因此与QD更强地相互作用(D.Gloge-弱导光纤)。根据本发明，可通过选择性地激发纤维的横向模式来实现与QD的选择性相互作用。

在本发明的另一个实施例中，石英玻璃纤维在石英玻璃纤维的前表面或在两个石英玻璃纤维段的两个前表面之间被提供有具有QD的纳米复合材料(在本文中也称为实施例“纳米复合材料在纤维前表面上”或“纵向实施例”，这是因为QD沿纵向或在纤芯中传播的泵浦光的光路中布置。在这些实施例中，可在这个/这些前表面上执行局部温度测量。因此，可制备出非常紧凑的点传感器(>2mm)。

在一个优选的实施例中，将纳米复合材料引入圆柱形毛细管中，且然后使其与石英玻璃纤维前表面接触。

如D.Gloge的著作所示，不同横向模式的消逝场以不同程度穿透纳米复合材料。模式越高，与纳米复合材料的相互作用越强。多模纤维的优点是可通过具有相应最大模叠加的特定耦合来激发横向模式，该最大模叠加与纳米复合材料相互作用非常弱或非常强。这是多模式实施例的优点。横向模式下的光耦合也可通过波长来区分。例如，当400nm耦合到最低的横向模式并且几乎不引起转换时，波长450nm可耦合到本光纤的最高可能的横向模式以引起强转换。因此，可以以非常特定的方式传输/转换、复用不同的信号。各横向模式之间的功率补偿(横向模式耦合)通常仅在很多米的光纤长度之后才发生。

本发明的另一个优点是紫外线固化聚合物可被用于纳米复合材料。然后可使用紫外线灯进行例如可施加到纤维拉伸塔上的纤维的纳米复合材料的固化。因此，紫外线固化可为以高加工速度且经济高效地生产石英玻璃纤维实现可扩展的商业化生产工艺，该石英玻璃纤维具有包含纳米复合材料的量子点。如果使用硅树脂或聚酰亚胺，也可想到热固化。硅树脂还因为其低折射率而适用。另一方面，聚酰亚胺可在高至360℃的温度下用作涂层。因此，一个可能的实施例还涉及本文所述的多模石英玻璃纤维，其中一种或多种紫外线固化的聚合物被热固化聚合物(优选包含聚酰亚胺或硅树脂或由聚酰亚胺或硅树脂组成)代替。

另外，在根据本发明的石英玻璃纤维的制备中必须克服许多工艺工程上的困难。例如，在制备期间聚合物和QD的混合必须以不形成团块的方式进行。这可通过适当的搅拌技术来实现。所制备的混合物还必须快速处理以防止QD结块或离析。当将纳米复合材料应用于纤芯时，玻璃表面必须不得太热或太冷，以使纳米复合材料无问题地粘附在表面上。并且纤维从预制件中拉出和将NK施加到表面上的速度不能太高，否则会在玻璃与涂层之间形成气穴。这些会导致纤维的机械不稳定性，因此，在拉拔纤维时玻璃熔化的步骤、将纳米复合材料施加到纤芯上的步骤以及紫外线固化过程必须协调，这意味着NK和纤芯应该具有相似的温度或相同的温度+/-20℃，而且还证明了如果使用作包层的纳米复合材料在施加前为确定的温度则更优。

根据实施例“纳米复合材料作为包层”，QD以包层的形式直接与纤芯/波导结合，并具有与泵浦光的消逝场的直接接触。为此，有必要开发与石英玻璃纤维制备兼容的包层方法。已知的工艺，例如Jorge等人描述的“溶胶-凝胶工艺”("Optical Fiber Sensing UsingQuantum Dots"Sensors 2007,7,3489-3534)不用于纤维制造，且不易兼容。

对于本发明的实施例“纳米复合材料在纤维前表面上”，将QD直接施加到纤维端部是一个挑战，为此，必须将QD引入紫外线固化的聚合物基质中。随后，将目前紫外线固化的纳米复合材料引入石英玻璃毛细管中，并将石英玻璃纤维插入毛细管中。当采用紫外线进行辐照时，NK、石英玻璃毛细管和石英玻璃纤维可无需调节地一步结合在一起。

纳米复合材料(在此也称为“NK”)因为是从液态固化的，因此其形状在根据本发明的应用中可自由选择。NK例如可借助于紫外光以圆柱形的形式固化(毛细管用作成形边界)。通过巧妙地选择相对于石英玻璃芯的折射率的聚合物(在此优选氟化丙烯酸酯)和毛细管(例如，具有氟掺杂的石英玻璃或硅树脂，例如具有<1.37的折射率)的折射率，光场在纳米复合材料(被布置于石英玻璃纤维的前表面)中传播的短段甚至可充当波导。因此，NK甚至可被用作波导芯。可选地，如果要实现更长的距离(>2mm)，也可将聚合物的折射率选择为大于毛细管的折射率。在本发明的范围内，原则上可自由选择量子点的类型，这是因为与纳米复合材料的聚合物之间不应存在负面相互作用。其原因之一是可使用芯-壳QD，其荧光特性从外部受到壳的保护。

此外，可能有两种泵浦几何形状(激发几何形状)：纵向(沿纤芯中的光传播方向)和横向(横向于芯中的光传播方向)。根据所选择的泵浦的几何形状，必须调整包层的层厚度和聚合物基质中QD的浓度等参数。

通过将QD与具有确定的折射率的聚合物基质结合使用，纳米复合材料既可被用作波导护层(聚合物折射率<石英玻璃折射率)，又可用作波导芯(聚合物折射率>石英玻璃折射率)。

根据本发明的一个方面，提供了一种多模石英玻璃纤维，包括：

a)石英玻璃的纤芯，

b)包层，以及

c)纳米复合材料，其包含一种或多种紫外线固化的聚合物和一种或多种能够发射一个或多个中心波长的量子点；

并且，其中所述纳米复合材料

i)形成所述包层，其中将所述包层直接施加到所述纤芯上，其中，所述纳米复合材料在所述量子点的所述中心波长或所述中心波长之一处具有比该中心波长处的所述纤芯的所述石英玻璃更低的折射率；或

ii)形成为所述石英玻璃纤维的端部的前表面或所述石英玻璃纤维的两个段之间的前表面。

在本发明的一个实施例中，所述纳米复合材料包括

-基于所述纳米复合材料的总重量为80-99.5重量％的量的聚合物，

-基于所述纳米复合材料的总重量为0.5-15重量％的量的量子点，

-基于所述纳米复合材料的总重量为0-10重量％的量的任选添加剂。

在本发明的一个实施例中，所述聚合物选自由以下构成的组：氟丙烯酸酯基聚合物、氨酯丙烯酸酯基聚合物、氟硅氧烷、环氧丙烯酸酯基聚合物、聚酯丙烯酸酯基聚合物、氨酯丙烯酸酯基聚合物、硅树脂丙烯酸酯基聚合物、丙烯酸-丙烯酸酯基聚合物、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、氟化氨基甲酸酯、及其共聚物和混合物。

在本发明的一个实施例中，所述量子点包含周期表的II-VI族元素、III-V族元素和/或IV-VI族元素的组合。

在本发明的一个实施例中，所述多模石英玻璃纤维还包括直接施加到所述包层的护层。

在本发明的一个实施例中，所述纳米复合材料形成为在所述石英玻璃纤维的一端部上的前表面，并且所述纳米复合材料以及所述多模石英玻璃纤维的相邻区域被布置在毛细管中。

在本发明的一个实施例中，所述纳米复合材料形成为所述石英玻璃纤维的两个段之间的前表面，并且所述纳米复合材料以及所述多模石英玻璃纤维的相邻区域沿两个方向被布置在毛细管中。

根据本发明的一个方面，提供了一种传感器装置，包括：

-发射器单元；

-接收器单元；

-连接装置，其包含前述的多模石英玻璃纤维，其连接所述发射器单元和所述接收器单元；

其中，所述发射器单元适于将光信号耦合到所述多模石英玻璃纤维中或将其辐射到所述包层中，所述光信号适合于根据测量点处的温度来激发所述多模石英玻璃纤维的量子点，并且所述接收器单元适于接收由此产生的依赖于温度的光信号，其中，所述测量点处的温度可从所述依赖于温度的光信号导出。

根据本发明的一个方面，提供了一种借助于前述的传感器装置在一个或多个测量点处测量温度的方法，其中，所述方法包括以下步骤：

-借助于所述发射器单元发射光信号，其中所述光信号撞击在所述纳米复合材料中的所述量子点上；

-由所述量子点发射的光耦合到互连装置中，所述量子点发射的光代表依赖于温度的光信号，或者通过与所述光信号叠加而产生所述依赖于温度的光信号；

-将耦合到所述互连组件中的所述依赖于温度的光信号传导到所述接收器单元；以及

-借助于所述接收器单元接收所述依赖于温度的光信号，以使得可通过所述接收器单元从所述依赖于温度的光信号中得出关于一个或多个测量点处的温度的信息。

根据本发明的一个方面，提供了使用前述的多模石英玻璃纤维进行温度测量的方法。

根据本发明的一个方面，提供了制备多模石英玻璃纤维的方法，优选制备前述的多模石英玻璃纤维，包括以下步骤：

I)提供纤芯，

II)在所述纤芯上施加包含一种或多种可紫外线固化的聚合物和量子点的未固化的粘性纳米复合材料作为涂层，

III)借助于紫外光固化所述粘性纳米复合材料，以及

IV)获得所述多模石英纤维。

根据本发明的一个方面，提供了一种根据前述的制备多模石英玻璃纤维的方法可获得或获得的多模石英玻璃纤维。

具体实施方式

本发明涉及以下执行形式：

1.多模石英玻璃纤维，包括：

a)石英玻璃纤芯，

b)包层，以及

c)纳米复合材料，其包含一种或多种优选是紫外线固化的聚合物和一种或多种能够发射一个或多个中心波长的量子点；

并且其中纳米复合材料是

i)形成包层，其中将包层直接施加到纤芯上，其中纳米复合材料在量子点的中心波长或中心波长之一处具有比在该中心波长处的纤芯的石英玻璃低的折射率(此处的折射率是指完成的多模石英玻璃纤维，或在多模石英玻璃纤维上优选在25℃下确定的折射率)；或

ii)在石英玻璃纤维的一个端部的前表面(即横截面)上或在石英玻璃纤维的两个段之间的前表面上形成，该纳米复合材料优选地具有小于量子点的中心波长或中心波长之一(如果存在多个中心波长)处的石英玻璃1.2倍的折射率(在多模石英玻璃纤维上在该中心波长处测量)。

在(i)或(ii)的一个优选实施例中，在多模石英玻璃纤维上执行测量时，纳米复合材料在量子点的中心波长处，优选在630nm处，表现出低于1.457(石英玻璃在630nm处的折射率)的折射率；或者在多模石英玻璃纤维上，优选在25℃下进行测量的情况下，纳米复合材料在量子点的中心波长处，优选在1550nm处，具有低于1.444(石英玻璃在1550nm处的折射率)的折射率。

在优选实施例(ii)中，在多模石英玻璃纤维上进行测量的情况下，纳米复合材料在量子点的中心波长处，优选在630nm处，表现出1.3-1.8的折射率。

表述“一种或多种类型的量子点”意指可存在不同化学组分或不同粒径的量子点。具有相似粒径和相同组分的大量量子点将根据激发态下的粒径分布来发射中心波长。

石英玻璃由纯二氧化硅(SiO

在此，RNF法被用于确定在纳米复合材料不吸收的测量波长处的折射率。对于本发明，优选的是，测量波长不在300-500nm或1000-1300nm的范围内。所述测量在包含具有已知折射率的液体的测量池中进行，该液体例如为在20℃时折射率为1.470的油，优选为来自Dow Performance Lubricants的UCON

多模石英玻璃纤维是光学石英玻璃纤维(或简称为“石英纤维”或“玻璃纤维”)。它优选不包含散射缺陷。优选地，多模石英玻璃纤维还不包含被施加到包层上的散射层，该散射层包含例如用于光散射的纳米或微米颗粒的散射材料。另外，多模石英玻璃纤维优选不包含嵌入包层中的散射材料。

2.根据实施例1所述的多模石英玻璃纤维，其中，所述包层的折射率小于所述纤芯的折射率，优选地，所述纤芯的折射率为1.46-1.47，并且所述包层的折射率为1.37-1.45，优选为1.404或更小，折射率根据DIN标准(EN60793-1-43VDE 0888-243:2015-12光纤)通过测量数值孔径来确定，以使得能够实现250至2400nm的优选期望的波长。

根据本发明，可选择折射率以使得在期望的波长处波导可行。

3.根据前述实施例之一的多模石英玻璃纤维，其中所述纳米复合材料包含或由以下组成：

-聚合物，优选其基于纳米复合材料的总重量的量为80-99.5重量百分比

-量子点，优选其基于纳米复合材料的总重量的量为0.5-15重量百分比，

-任选的添加剂，优选其基于纳米复合材料的总重量的量为0-10重量百分比。

优选地，基于纳米复合材料的重量，聚合物包含至少90重量％的紫外线固化的聚合物，更优选99或100重量％。因此，在特别优选的实施例中，纳米复合材料仅包含紫外线固化的聚合物。术语“紫外线固化的聚合物”意指将纳米复合材料在制备期间以粘性形式施加到纤芯上，且然后借助于紫外线辐照来固化。

4.根据前述实施例中任一项的多模石英玻璃纤维，其中一种或多种(紫外线固化的)聚合物选自由以下构成的组：氟丙烯酸酯基聚合物(即具有丙烯酸酯或丙烯酸甲酯阴离子基元(motif)的聚合物，特别是丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯，例如丙烯酸甲酯基聚合物)、氨酯丙烯酸酯基聚合物；氟硅氧烷；环氧丙烯酸酯基聚合物、聚酯丙烯酸酯基聚合物、氨酯丙烯酸酯基聚合物、硅树脂丙烯酸酯基聚合物、丙烯酸丙烯酸酯基聚合物、聚甲基硅氧烷、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、氟化氨基甲酸酯及其共聚物和混合体，更优选地，紫外线可固化的聚合物选自：氟丙烯酸酯基聚合物、丙烯酸甲酯基聚合物、环氧丙烯酸酯基聚合物、聚甲基硅氧烷和聚二甲基硅氧烷，特别优选的是氟丙烯酸酯基聚合物、氨酯丙烯酸酯基聚合物；以及氟硅氧烷；

且最优选地，聚合物基质选自氟丙烯酸酯基聚合物，例如2-(全氟己基)乙基甲基丙烯酸、2-丙烯酸,2-甲基,2-乙基-2-[[(2-甲基-1-氧代-2-丙烯基)氧基]甲基]-1,3-丙二基酯、苯酚；及聚全氟乙氧基甲氧基-二氟乙基PEG醚的多功能预聚物。

如US 2010/0188652中所述，例如，如果纯聚合物具有太高的折射率，则可改性此处列出的聚合物的折射率以满足所需的要求。

根据本发明，使用纳米复合材料(也称为“NK”或“纳米复合物”)。

根据本发明，优选氟化聚合物，其中特别优选本文提及的所有聚合物的氟化变体。

5.根据前述实施例之一的多模石英玻璃纤维，其中量子点是元素周期表中II-VI族元素(特别是锌或镉与氧、硫、硒、碲)、III-V族元素(特别是硼或铝或镓或铟与氮、磷、砷、锑或铋)、或IV-VI元素(特别是硅或铅与硒或硫的元素)的组合、以及这些组合的混合物，优选选自由以下构成的组：CdSe、ZnCdS、CdTe、PbS、PbSe、芯-壳量子点(CdS/ZnSe、CdSe/CdS、CdSe/ZnCdS、CdSeS/ZnS、InP/ZnS)、芯-壳-壳量子点(CdSe/CdS/ZnS、CdTe/CdS/ZnS)、InP、ZnSe、ZnxCd1-xSe、CdTexSe1-x、CdS和钙钛矿QD。

胶体CQD，尤其是胶体CdSe/Zn

6.根据前述实施例中任一项的多模石英玻璃纤维，其中不具有QD的聚合物基质具有根据美国测试和材料学会的标准D638-14测量的180至220MPa的弹性模量。

在“纳米复合材料在前表面上”实施例中，石英纤维可被设计为用于透射或反射测量。

在透射情况下：

必须区分对于泵浦波长和信号波长的NK的透射率。

泵浦波长：聚合物基质必须具有尽可能高的透射率，以最小化泵浦功率的损失。QD的数量应选择为使得现有的QD数量能吸收整个泵浦的功率。

信号波长：聚合物基质应具有尽可能高的透射率，以最小化信号损失。应选择QD的数量以最小化信号波长的重吸收(如果选择的QD在物理上可行)。

聚合物基质的弹性模量对于包层为纤芯提供足够的机械保护而言是重要的。在本发明的过程中表明，其弹性模量既不能太高也不能太低。

7.根据前述实施例中任一项所述的多模石英玻璃纤维，其中，所述多模石英玻璃纤维的纤芯的特征在于具有大于2.405的V参数，使得每个极化(polarization)可引导多于一个的横向模式。

通过确定包层的折射率并应用用于计算V参数的公式来确定V参数。可使用“折射近场法”来确定包层的折射率(参见Raine等，1989或其中引用的Steward等的文献)。

8.根据前述实施例之一的多模石英玻璃纤维，其中量子点均匀地和/或不凝聚地分布在聚合物基质中，和/或其中纳米复合材料中量子点的浓度为0.001至10％。

9.根据前述实施例之一的多模石英玻璃纤维，其中，所述量子点是CdSe/CdS芯-壳量子点。

各种类型的量子点是可商购的，例如可从Quantum Solutions(https://quantum-solutions.com/products-portfolio/quantum-dots/)、Merck/Sigma-Aldrich(https://www.sigmaaldrich.com)/materials-science/material-science-products.html？TablePage＝16376883)或PlasmaChem(http://www.plasmachem.com/shop/en/26-quantum-dots)获得。

10.根据前述实施例中的一项所述的多模石英玻璃纤维，其中，所述量子点具有1nm至1μm的尺寸。量子点的尺寸可例如通过体积动态激光散射来确定为D95，优选使用来自英国马尔文(Malvern)的Malvern Instruments，Ltd的设备，优选使用Zetasizer Nano。

量子点必须具有合适的尺寸，以确保在所需波长处的吸收和发射。

11.根据前述实施例中的一项所述的多模石英玻璃纤维，其中所述包层完全或部分地包裹所述纤芯。

12.根据前述实施例中的一项所述的多模石英玻璃纤维，其中，所述纤芯具有20μm至2mm的直径。

在“纳米复合材料作为包层”实施例中，纤芯的优选直径为30-600μm，更优选为约50μm。对于“纳米复合材料在纤维前表面上”实施例，纤芯的优选直径为200-800μm，优选约600μm。

13.根据前述实施例中的一项所述的多模石英玻璃纤维，其中，所述量子点分别发射在560至1600nm之间的波长和中心波长，优选地在560nm至750nm之间或者在1300至1600nm之间，特别优选地约630nm，优选在20℃发射。

14.根据前述实施例之一的多模石英玻璃纤维，具有不透明或半透明的外部护层。

在这种情况下，外部护层可以是半透明的或不透明的。

如果外部护层是不透明的，则不能横向应用泵浦波长(横向泵浦几何形状)，而必须在前表面上应用。如果外部包层是不透明的，则可使用横向泵浦几何形状，其中泵浦波长通过外部护层被透射到NK包层和纤芯中。在这种情况下，转换后的光也被发射到外部，并且纤维可被用作光源。该特性在纵向泵浦几何形状中也存在。因此，本发明还涉及纵向和横向实施例作为照明装置的用途。

实施例“纳米复合材料作为包层”：

实施例“纳米复合材料作为包层”是指根据前述实施例之一的多模石英玻璃纤维，其中该纳米复合材料形成了包层(实施例15)。

在该实施例中，泵浦光可被纵向或横向地辐照。横向辐照可意味着泵浦光在温度测量位置被辐照。

16.根据实施例15的多模石英玻璃纤维，其中在整个纤维长度上形成纳米复合材料的包层。

在“纳米复合材料作为包层”版本中，选择纳米复合材料(即，QD的浓度和层厚)，以便获得所需的横向穿透深度。对于横向泵浦，包层必须足够厚，以便在被辐照的空间内有足够的QD来吸收泵浦功率。此外，该层必须仅厚到在信号波长处的有限透射率(～90％)仅导致最小的功率损耗。对于纵向泵浦，消逝场的穿透深度在<1μm的范围内，即，无论层厚有多大，泵浦光和QD之间的相互作用都被同等地保证。

选择折射率，使得泵浦光通过石英玻璃纤维传播。但是，如果石英的纤芯与纳米复合材料之间的折射率差非常小，则石英玻璃纤维的光导率易受弯曲影响。这种形式的优选折射率在1.37-1.45的范围内，进一步地，纤芯与纳米复合材料之间的优选折射率差为0.02-0.07。

在光纤线上进行测量时，波长偏移信号(源自在测量点处局部加热)会叠加在非波长偏移信号上(大部分纤维处于环境温度下并进行相应转换)。基本上，加热面积越大，由于温度变化而引起的红移发射越占主导地位，则加热可被测量得越清楚。然而，如果温度差不够大，则存在无法区分偏移信号和非偏移信号的风险。有可能采用光脉冲(OTDR)进行时间计时，以将脉冲中的固定时间分配给纤维中的固定位置。这样就应该有可能发现频率转换的地方，即温度升高的地方。为此目的，在已知时间辐照泵浦脉冲，并记录一个或多个信号脉冲的到达时间。另外，被测信号根据波长被分割。因此，可指定哪个波长分量来自哪个纤维位置。

17.根据前述实施例中的一项所述的多模石英玻璃纤维，还包括直接施加到所述包层的护层。

18.根据前述实施例中的一项所述的多模石英玻璃纤维，其中，直接施加到所述包层上的所述护层具有高至50μm的层厚。

在纤芯和包层之间没有其他层。

19.根据前述实施例中的一项所述的多模石英玻璃纤维，其中，所述纤芯不包含氟沟槽和/或掺杂。

可能会有特殊的纤维轮廓(即径向折射率分布)，其中在玻璃结构中提供了氟沟槽，而NK仍然作为附加包层而被施加在外部。芯还可任选地包含进一步增加折射率的掺杂剂(例如锗)。

20.根据前述实施例之一的多模石英玻璃纤维，其中，所述包层具有1-150μm，优选为30-80μm，且最优选为约50μm的厚度。

原则上，包层的厚度是自由选择的，因此规则是(对于纳米复合材料中相同的QD密度)可用的QD越多，则层越厚。这些可在泵浦波长处以相应更高的总功率来激发。

实施例“纳米复合材料在纤维前表面上”：

实施例“纳米复合材料在纤维前表面上”是指根据前述实施例之一的多模石英玻璃纤维，其中纳米复合材料形成在石英玻璃纤维的一个端部的前表面处或在石英玻璃纤维的两个段之间的前表面处(实施例21)。

术语“前表面”在本文中是指纳米复合材料被布置为垂直于纤芯并且至少部分地，优选完全地覆盖纤芯的横截面。

在“纳米复合材料在纤维前表面上”的实施例中，可选择纳米复合材料的折射率，以使侧面发射的光尽可能少，但是要尽可能多地耦合到相邻的第二石英玻璃纤维段中。这需要在毛细管的折射率和聚合物的折射率之间进行特定的调节。

在本发明的这些实施例中，石英玻璃纤维的包层可自由选择。然而，优选地，包层不包含量子点。

在该实施例中，泵浦光可被纵向或横向地辐照。

22根据实施方式21所述的多模石英玻璃纤维，其中，所述纳米复合材料具有在纵向方向(在纤芯方向在前表面处)1μm至20mm的层厚。

本文中，“纵向方向”是指石英玻璃纤维/纤芯的方向，即泵浦光通过纤芯传播的方向。

本文中，“横向方向”是指与纵向方向垂直的方向。因此在横向方向上测量纤芯上的包层的厚度。

在本发明的所有实施例中，取决于以下参数来确定层厚：

-纤芯中泵浦波长处可用的总功率。

-NK中QD的浓度。

-所选聚合物在泵浦和信号波长下的透射率

-纳米复合材料，尤其是含氟聚合物的精确折射率

-检测装置对信号波长的灵敏度。

-围绕层厚的介质的折射率(此处为玻璃毛细管，可选地，其折射率低于纳米复合材料，用于全反射)。

精确确定所提到的参数会导致最佳的涂层厚度。取决于环境，可使此最佳值适合于测量任务。

23.根据前述实施例之一的多模石英玻璃纤维，其中所述纳米复合材料形成在石英玻璃纤维的一个端部的前表面处或两个石英玻璃纤维段之间的前表面处。

在该实施例中，纳米复合材料可在纵向方向上中断石英玻璃纤维，并且得到以下顺序(在泵浦光的方向上)：具有纤芯、包层和任选的其他涂层的石英玻璃纤维、具有量子点的纳米复合材料的相邻(且接触的)段、以及再次具有纤芯、包层和其他涂层的相邻石英玻璃纤维。

在该实施例中，纳米复合材料之前和之后的石英玻璃纤维段也可能彼此不同，例如具有不同的纤芯、包层、直径或护层。

但是，也可将纳米复合材料布置在端部并且不附加其他石英玻璃纤维段。然后得到以下顺序(在泵浦光的方向)：具有纤芯、包层和可选的其他涂层的石英玻璃纤维、以及具有量子点的纳米复合材料的相邻(且接触的)段。

在以上实施例中，纳米复合材料可被布置在形状提供容器，例如毛细管中。

24.根据前述实施例之一的多模石英玻璃纤维，其中纳米复合材料形成为石英玻璃纤维的端部的前表面，并且纳米复合材料以及多模石英玻璃纤维的相邻区域被布置在毛细管，优选玻璃毛细管中。

当使用玻璃毛细管时，可选择玻璃毛细管的折射率(在本发明的所有实施例中)，使得全反射发生在NK和毛细管之间的界面处。

25.根据前述实施例之一的多模石英玻璃纤维，其中纳米复合材料被形成为石英玻璃纤维的两个段之间的前表面，并且纳米复合材料以及多模石英玻璃纤维的相邻区域在两个方向上均布置在毛细管中，优选布置在玻璃毛细管中。

26.根据前述实施例之一的多模石英玻璃纤维，其中所述纳米复合材料层被布置在垂直于纤维方向的波长选择元件的后面。

取决于实施例，可使用二向色镜(2色镜，发射蓝色，透射红色)、衍射光栅(不同波长在不同角度的衍射并因此空间分离)或棱镜(在棱镜的界面处的折射)。

27.传感器布置，包括：

-发射器单元；

-接收器单元；

-连接装置，其包含根据实施例1-26之一的多模石英玻璃纤维，其连接发射器单元和接收器单元；

其中发射器单元适于将光信号耦合到多模石英玻璃纤维中或将其辐射到包层中，该光信号适合于根据测量点处的温度来激发多模石英玻璃纤维的量子点，且接收器单元适于接收由此产生的依赖于温度的光信号，测量点处的温度可从依赖于温度的光信号得出。

由于检测仅在信号波长处进行，因此测量方法对环境光基本上不敏感。依赖于温度的光信号也可以是量子点发射的光和辐照的光信号的叠加。

28.根据实施例27的传感器布置，其中

如果纳米复合材料形成为垂直于纤维方向的层，则依赖于温度的光信号是量子点发射的光，或者如果纳米复合材料在纤芯上形成为包层，则依赖于温度的光信号为量子点发射的光和光信号的叠加。

在其中在纤芯上形成纳米复合材料作为包层的实施例中，优选借助于围绕纤维中的固定位置的光脉冲(OTDR)将发射单元的光信号的时序分配给脉冲中的固定时间。因此，应该有可能发现转换到相应的偏移波长范围内的频率转换的位置，即温度升高的位置。特别是，由于在泵浦波长处、在例如温度1处的信号波长处和在例如温度2处的信号波长处的传播时间是已知的，并在检测器上进行测量。

根据本发明，在泵浦光(“光信号”或“发射器单元的光信号”)和量子点之间需要良好的相互作用，即，需要泵浦光可被量子点吸收。在泵浦光和量子点之间的横向相互作用(即，纳米复合材料在包层中)下，该相互作用可在纤维长度上按比例缩放。在泵浦光和量子点之间发生纵向相互作用的情况下(即，纳米复合材料位于石英纤维的一个前表面上或两个石英纤维的两个前表面之间)，该相互作用可由纳米复合材料的层厚来调节。

29.根据实施例27至28中的一项所述的传感器布置，所述传感器布置具有连接至所述接收器单元的计算单元，所述计算单元被配置为从依赖于温度的光信号确定一个或多个测量点处的温度。

30.根据实施例27至29之一所述的传感器布置，该传感器布置具有通向温度测量点的多模石英玻璃纤维分支，该温度测量点在石英玻璃纤维中与纳米复合层垂直于纤维方向地形成。

31.根据实施例30所述的传感器布置，其中，所述分支包含耦合器，所述耦合器被配置为使得从所述测量点向所述分支传播的依赖于温度的光信号被传导至所述接收器单元。

32.根据实施例27至31之一所述的传感器布置，其中，所述接收器单元被配置为检测560和1600nm之间的波长，优选地检测560和750nm之间或1300-1600nm(例如，对于InP/ZnS量子点或InAs/InP量子点)的波长，优选630nm的波长。

33.一种借助于根据实施例27-32之一的传感器布置在一个或多个测量点测量温度的方法，该方法包括以下步骤：

-借助于发射器单元发射光信号，其中光信号撞击纳米复合材料中的量子点；

-将代表依赖于温度的光信号的量子点发出的光，或依赖于温度的光信号与光信号的叠加产生的光耦合到互连装置中；

-将耦合到互连组件中的依赖于温度的光信号传导到接收器单元；以及

-借助于接收器单元接收依赖于温度的光信号，以使得可通过接收器单元从依赖于温度的光信号中得出关于一个或多个测量点处的温度的信息。

34.根据实施例1-26之一的多模石英玻璃纤维在温度测量中的用途。

根据本发明的多模石英玻璃纤维可被用于各种应用。例如，用于温度测量或作为照明，或两者结合使用。

通过实施例“纳米复合材料作为包层”，可在整个包层上实现光发射。但是，也可通过横向泵入纤维来使量子点局部发光，例如以测量该位置处的温度。

在实施例“纳米复合材料在前表面处”中，温度是在纳米复合材料上局部测量的。可针对各个应用优化折射率。在示例1和2中描述了将纤维具体用于温度测量的示例。

在该实施例中，纤维包层本身被功能化，即，纳米复合材料被用作包层。在此，纳米复合材料表示与光纤芯部的界面。纳米复合材料(例如，可使用制造商Luvantix的漆PC-404)的任务是通过完全封闭纤芯或至少部分覆盖纤芯的表面并具有明显更低的折射率(相差0.02或更大)来确保纤芯中的光导。

通过将QD引入纳米复合材料中，可将聚合物基质(漆)和QD的功能结合起来。因此，创建了纤维包层，该包层经由电子-空穴对的辐射复合将一个波长(泵浦波长)处的辐照光子转换为更长波长(信号波长)的光子。

35.一种用于生产优选根据实施例1-26中的一种的多模石英玻璃纤维的方法，包括以下步骤：

I)提供纤芯，

II)在纤芯上施加包含一种或多种紫外线可固化聚合物和量子点的未固化粘性纳米复合材料作为涂层，其中纤芯的表面在施加时的温度为限定的温度，优选为10至80℃和/或粘度优选在25℃下为1-7kg/(m·s)(1000-7000cPs)的范围内，

III)借助于波长为200nm-450nm，优选辐照度为约2W/cm

IV)获得多模石英玻璃纤维或具有NK包层的石英玻璃纤维。

量子点的团块化(凝聚)导致石英玻璃纤维的机械性能的劣化，特别是变脆。在聚合物基质固化之前，必须避免聚合物和量子点之间的相分离。均匀的聚合物混合物可通过本文所述的创造性方法获得。

不需要的聚集体可通过光学检查来检测。为了使该材料特别合适，在将其施加到纤芯之前，它应具有尽可能高的光学透明性，尽可能少的结块和尽可能少的条纹。回火、过滤、搅拌和倾析等技术可被用于保持均匀性。

紫外线辐射的波长和剂量对于实现完全固化是重要的。因此，待涂覆的纤芯的拉伸速度必须与紫外线强度匹配。辐照度(W/cm

纳米复合材料的紫外线固化优选通过施加来自外部的UV辐射来实现。为此目的，使用具有适于纳米复合材料或聚合物基质中包含的光引发剂吸收的波长的灯的特定组合。

36.根据实施例35的方法，其中步骤I)包括从纤维预制件中拉出纤芯和/或步骤II)中的未固化的液体纳米复合材料通过垂直重力或还以压力涂覆在足够缓慢的速度下而施加以避免纤芯和涂层之间存在气泡夹杂。

将纳米复合材料施加于纤芯时，未固化的纳米复合材料必须处于正确的温度下。在压力涂覆的情况下，必须在正确的压力下(使用氩气)将粘性涂层施加到纤维。涂层的固化直接在施加后甚至在施加其他材料之前进行。多层处理是可能的，其中NK表示内层，并施加具有或不具有功能的另一层。在涂覆过程期间形成的涂覆喷嘴中的NK的平稳流动状态影响是否出现不希望的气泡夹杂。

必须避免在纤芯和涂层之间的气泡夹杂，以确保足够的机械稳定性。

纤维预制件可通过已知的工艺制造，例如通过改进的化学气相沉积(MCVD)或借助于PCVD(等离子体活化化学气相沉积)在石英玻璃衬底管中制造。现代弯曲不敏感纤维的典型制造方法包括，例如在F-300衬底管中进行MCVD沉积(参阅https://www.heraeus.com/media/media/hqs/doc_hqs/products_and_solutions_8/o ptical_fiber/Fiber_Tubes_EN_2018_04.pdf)，然后将内部涂覆的管熔缩成实心棒。F-300管材料通常具有800至2000ppm的Cl含量和/或0.2ppm的OH含量。

预制件的生产工艺是专家已知的。在以下文献中描述了这样的工艺，例如：DE69922728T2、US4276243A、US4412853和US4582480。

因此，纤维优选地由OH浓度≤0.2ppm、氯含量为800-2000ppm和/或折射率为+0.35至+0.5×10

37.根据实施例35或36的方法，其中在施加未固化的液体纳米复合材料之前，将纤芯在预热炉中加热至所需的表面温度。

在施加未固化的液态聚合物基质时，纤芯的表面一定不能太热或太冷，否则聚合物基质将不会足够牢固地粘附。

在进行可能被用于施加护层的任何挤出工艺之前，纳米复合材料包覆的纤维表面必须保持无尘。

在纤芯和纳米复合材料的制备期间，纤维拉拔可能产生的杂质或不均匀度可能对挤出层的表面质量，或甚至对层的机械可靠性以及整个多模石英玻璃纤维的机械可靠性具有负面影响。

38.根据实施例35-37之一的方法，其中待挤出的护层的材料在被施加至固化的纳米复合材料之前被熔融。

除了包层之外，多模石英玻璃纤维还可具有其他护层，例如诸如碳的气密涂层或诸如铝的金属涂层。优选除了该包层之外没有其他覆层。

当使用两层丙烯酸酯时，低折射率丙烯酸酯可被用于内层。因此，可确保用于泵浦波长和所产生信号波长的波导长达数米(～1km)。同时要进行折衷，这是因为即使可很好地引导泵浦波长以实现吸收在整个长度上吸收的缩放，消逝场也应同时穿透进入纳米复合材料足够远的距离以实现有效转换。因此，涂层材料的折射率必须小于纤芯的折射率。

如已经描述的，必须防止量子点的团块化(凝聚)。这可通过对QD进行表面改性，通过选择合适的(有机)配体以达到最佳分散性来实现，例如使用三正辛基氧化膦(TOPO)，或通过在制备QD后改变配体以适于基质(聚合物)来实现(参见J.Wang等人"SemiconductorQuantum Dots Surface Modification for Potential Cancer Diagnostics andTherapeutic Applications",Hindawi Journal of Nanomaterials,卷2012；

G.R.Bardajee等人"Surface passivation of CdSe-TOPO quantum dots bypoly(acrylic acid):Solvent sensitivity and photo-induced emission in water"Iran Polym J,2013)。

将纳米复合材料混合后以及将纳米复合材料施加于纤芯之前，使其放置太长时间会导致相分离，应避免这种情况。

39.通过根据实施例35-38之一的方法获得或可获得的多模石英玻璃纤维。

将熔融材料以规定的熔体压力施加到纤维，其中仅应发生在0-20％，优选0-10％范围内的压力波动。

附图说明

将参考附图进一步解释本公开：

图1：根据示例1，在进入石英玻璃纤维的波长为450nm和平均功率约为3mW的泵浦光的耦合处的横向发射光谱。从图中可见，发射信号具有中心波长为626nm，半宽(HWB)为31nm。也可考虑将泵浦光横向施加到纤维上(横向泵浦)。在这种情况下，在纵向和横向泵浦之间发射的光谱没有差异。

图2：在两个纤维前表面之间的传输中进行静态光学温度测量的布置。附图标记：1＝石英玻璃纤维；2＝光源；3＝纳米复合材料；4＝毛细管；5＝温度测量点；6＝评估器。

图3：该图显示了纵向实施例，其中将纳米复合材料置于两个石英玻璃纤维段之间。纳米复合材料和一部分相邻的石英玻璃纤维段布置在毛细管中。如果n毛细管

图4：作为加热板设定温度的函数的发射信号光谱。附图标记：8＝125度加热板，5分钟；9＝100度加热板，5分钟；10＝24度室温，5分钟；11＝50度室温，5分钟；12：加热板12＝75度，5分钟。

图5：用于在两个纤维前表面之间的反射的静态光学温度测量的布置。附图标记：1＝在包层中有或没有纳米复合材料的石英玻璃纤维；2＝光源；3＝纳米复合材料；4＝毛细管；5＝温度测量点；6＝评估器；13＝3dB耦合器。

图6：在包层中具有纳米复合材料反射中的与位置无关的光学温度测量的布置。附图标记：1＝包层中具有纳米复合材料的石英玻璃纤维；2＝光源；3＝纳米复合材料；4＝毛细管；5＝温度测量点(125℃)；6＝评估器；13＝3dB耦合器，14＝通道1，626nm；15＝通道2，631nm；16＝反射端，17＝包层中具有或不具有纳米复合材料的光波导。

图7：在包层中具有纳米复合材料的传输中与位置无关的光学温度测量的布置。附图标记：1＝包层中具有纳米复合材料的石英玻璃纤维；2＝光源；5＝温度测量点(125℃)；6＝评估器；14＝通道1，626nm；15＝通道2，631nm。

图8：在包层中具有纳米复合材料的反射中取决于位置的光学温度测量的布置。附图标记：1＝包层中具有纳米复合材料的石英玻璃纤维；2＝光源；5＝温度测量点(125℃)；6＝评估器；13＝3dB耦合器，14＝通道1，626nm；15＝通道2，631nm；16＝反射端，17＝包层中具有或不具有纳米复合材料的光纤。

图9：在包层中具有纳米复合材料的反射中取决于位置的光学温度测量的布置。附图标记：1＝在包层中具有纳米复合材料的石英玻璃纤维；2＝光源；5＝温度测量点(125℃)；6＝评估器；13＝3dB耦合器，14＝通道1，626nm；15＝通道2，631nm；17＝在包层中具有或不具有纳米复合材料的光波导。

图10：在包层中具有纳米复合材料的反射中取决于位置的光学温度测量的布置。附图标记：1＝在包层中具有纳米复合材料的石英玻璃纤维；2＝光源；5＝温度测量点(125℃)；6＝评估器；13＝3dB耦合器，14＝通道1，626nm；15＝通道2，631nm；17＝具有或不具有纳米复合材料的光波导。

图11：发射的中心波长对加热板设定温度的温度依赖性，例如在图2所示的布置中所测量的。

图12：作为温度的函数的相对强度，例如在图2所示的布置的示例中所测量的。附图标记：18＝23℃；19＝50℃；20＝75℃；21＝100℃，22＝150℃。

图13：作为温度的函数绘制的发射光谱的峰值，例如在图2所示的布置中所测量的。

在实施例“纳米复合材料在包层中”中，泵浦光源(发射器单元)和测量单元(接收器单元)的布置例如可如图6-10所示。

在实施例“纳米复合材料在纤维前表面上”中，泵浦光源(发射器单元)和测量单元(接收器单元)的布置例如可如图2或5所示。

泵浦光在可选使用的毛细管处的反射可被用于将量子点发出的光重新耦合到纤维中。在图2的情况下，将测量耦合光，该耦合光在初始光的方向上进一步传播。在图5的情况下，将测量耦合光，该耦合光可在与初始光相反的方向上传播并被引导到接收器单元。

示例

示例1-在光纤包层中具有纳米复合材料的局部温度测量

来自制造商Luvantix的紫外线固化清漆(varnish)PC-404被用作光纤的光学护层。

作为QD，使用来自CdSe/CdS的核-壳QD。QD在漆中的比例为2.4重量％。类似于环境纤维的功能原理，当泵浦波长耦合进入芯部中时，本光纤会横向辐射信号波长(见图11)。

由于存在线性效应，因此转换效率取决于核-壳QD的性质，并且对于给定的环境参数具有固定值。图2显示了具有泵浦波长(纵向泵浦)的前耦合的横向发射光谱。由于信号波长是在所有空间方向上发射的，因此它的一部分也被引导到纤维的光芯中。在没有泵浦波长和测量的时间计时的情况下，在这里可做出这样的陈述：“在长度为x的纤维片处，其温度升高了x℃”。

已显示出显著的发射需要由泵浦光通过光纤包层而深入渗透/穿过。

示例2-在两个纤维前表面之间具有纳米复合材料进行局部温度测量以进行传输中的测量

纳米复合材料由紫外线固化漆(lacquer)(在这种情况下为Luvantix PC-373)和QD(在这种情况下为CdSe/CdS核-壳，重量百分比为2.4)组成。将其放置在两个光纤前表面之间并进行固化。在这种情况下，可使用图4中所示的布置进行温度测量。QD NK由光源(波长为400-450nm的低成本激光二极管，并通过USB连接)激发。光源提供泵浦光(LED，激光二极管)，光缆将泵浦光引导至要进行温度测量的地方，带有QD的漆位于纤维前表面，并且之前已被固化。第二根纤维将信号光引导到评估器。因此，测量是在传输中执行。为了保护两根纤维和混有QD的保护物(resist)之间的连接，石英玻璃毛细管位于连接上方。信号以这种配置在接合处生成，并在纤维中传播，从而通向评估器。评估器例如是光谱仪，该光谱仪以一定的离散度将信号光谱分割到多个通道中，并显示作为波长的函数的平均功率。也可使用边缘滤波器，该边缘滤波器具有确定的过程。根据边缘滤波器后面的发射功率，可推算出中心波长，从而可推算出温度。图2所示的设置是通过实验实现的。借助于加热板通过实验确定发射的中心波长对温度的依赖性。

结果如图4所示。图4清楚地示出，由PC-404和CdSe/CdS芯-壳QD组成的本纳米复合材料表现出依赖于温度的发射。清楚可见，随着温度的升高，中心波长从较小的值转变为较大的值。曲线被归一化为强度1。从信噪比的增加可清楚地看出，正如(Bueno等人,"Temperature Sensor Based on colloidal Quantum Dots-PMMA NanocompositeWaveguides"IEEE SENSORS JOURNAL,2012年10月,第12卷,第10期,第3069-3074页)，可观察到信号电平的降低。

为了显示中心波长对温度的依赖性，对图4进行了评估，并提取了所设定的各个温度下的中心波长。评价结果示于图6。可见，在从25℃至125℃的温度变化下可观察到中心波长从626.4nm至632.6nm的变化。

因此证明，只要可确定发射的中心波长，图2中的布置就可被用作温度传感器的测量系统。

图4显示信噪比随温度升高而降低。Bueno等人也观察到了这种相关性。(Bueno etal.,"Temperature Sensor Based on colloidal Quantum Dots-PMMA NanocompositeWaveguides"IEEE SENSORS JOURNAL,2012年10月,第12卷,第10期,第3069-3074页)。图7显示了未归一化的发射光谱。可见，相对强度随温度升高而降低。

在图8中显示了不同的连接方式。为此，绘制了相对强度的峰值相对于加热板温度的曲线。可看出，在第一近似中，温度和强度之间存在线性关系。

因此，已经证明，只要可测量发射的强度，则图4中的布置就可被用作温度传感器的测量系统。因此，存在采用所提出的布置来测量温度测量的两种可能性：确定中心波长或确定发射的绝对功率。温度范围仅受丙烯酸酯的限制，并且可与其他高温合适的材料(高温丙烯酸酯、聚酰亚胺等)结合使用来扩展温度范围。

示例3-在纤维前表面上采用纳米复合材料进行局部温度测量以进行反射中的测量

测量系统的另一种可能的设置如图9所示。在这种设置中，捕获的信号光是由含QD的漆反向发射的。信号通过纤维反向传播，并经由3dB耦合器到达评估器。温度对中心波长的影响将与图6中已经测量的相同。测量布置的几何形状特别适合于探头。

引用文献

专利文献

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非专利文献

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