导读
在深地探测、航空航天、高压物理及极端环境材料研究中，如何在高温、高压等复杂条件下实现稳定、可靠的压力测量，始终是一项基础而关键的技术挑战。相较于传统机械式压力传感器，发光光学压力计因其非接触、可远程、可原位测量等优势，在微小空间和极端环境中展现出独特潜力，已成为国际高压科学与功能材料领域的重要研究方向。
目前应用最广泛的光学压力计是基于 Cr3+ 掺杂红宝石的发光峰位变化进行测压。然而，该方法普遍存在压力灵敏度有限、且对温度变化高度敏感等问题。在实际应用中，温度波动往往会引起发光峰位和强度的显著漂移，从而导致压力读数的不确定性，这一“温度–压力交叉敏感性”已成为制约光学测压技术进一步发展的核心瓶颈。为克服上述问题，近年来研究者不断尝试通过材料结构调控或信号处理方式提升光学测压性能，但多数方法仍依赖单一光学参数作为读出信号，难以从根本上消除温度干扰。因此，如何在保持高压力灵敏度的同时，实现对温度扰动不敏感的稳定测压，仍是光学压力传感领域亟需解决的关键科学问题。
基于上述认识，中国地质大学（北京）材料科学与工程学院先进矿物材料课题组梅乐夫教授、廖立兵教授提出了一种光谱–时间双通道比率型光学测压策略，通过将稳态光谱信息与时间分辨发光动力学信号引入同一测压框架，实现压力与温度响应的有效解耦（图1）。选用石榴石结构荧光粉Y3In2Ga3O12:8% Cr3+ 作为研究对象，该材料具有适中的晶体场强度（Dq/B = 2.2）及较高的晶格刚性，有利于抑制热激活非辐射过程。
图1传统光学测压方法，未考虑温度变化引起的测量漂移，从而掩盖真实的压力响应并降低测量准确性。刚性石榴石基质与双重比率型读出策略的热不变光学测压框架。通过光谱比率读出与时间门控寿命读出相结合，可将压力信号与温度扰动有效解耦。
在此基础上，构建了基于光谱比率与时间门控信号的双重自参比体系，使压力读出在保持高灵敏度的同时显著降低温度干扰。并且在引入了温度不变测压因子（temperature-invariant manometry factor ,TIMF）作为评价指标，其物理意义为引起与 1 GPa 压力变化等效光谱变化所需的温度变化量。实验结果表明，该体系在光谱域与时间域分别获得约 7700 K·GPa⁻1 与 2500 K·GPa⁻1 的 TIMF 值，较传统红宝石压力计提高两个数量级，并显著优于常规寿命分析方法，从而实现了在极端热–力耦合条件下的高可靠光学测压。
研究工作以“Spectro-Temporal Ratiometric Strategy for Thermally Invariant Optical Manometry”为题，发表在国际知名材料期刊Advanced Materials。本研究工作由中国地质大学（北京）、厦门大学、波兰科学院等单位合作完成。中国地质大学（北京）博士生苏科和波兰科学院博士生Maja Szymczak为论文共同第一作者，中国地质大学（北京）梅乐夫教授、厦门大学潘鑫助理教授和波兰科学院Lukasz Marciniak教授为论文通讯作者。该工作得到国家自然科学基金等项目支持。
研究内容：
通过XRD、变压拉曼光谱以及显微结构分析结果可以得出结论：Y3In2Ga3O12:8% Cr3+ 体系不仅具有高度均一的化学组成，而且展现出优异的晶格刚性和结构可逆性，可在至少 14.6 GPa 的压力范围内保持稳定的石榴石骨架结构（图2）。优良的结构稳定性为实现热不变、高可靠的发光测压响应提供了坚实的物理基础，也为后续对其光学压力传感性能及热–力耦合行为的系统研究奠定了前提。
图2 Y3In2Ga3O12:8% Cr3+ 的晶体结构与微观形貌
为实现对光学压力响应的稳定、定量表征，采用发光强度比（luminescence intensity ratio, LIR）方法对测压信号进行解析（图 3）。相较于单一峰位位移法，LIR 方法利用宽带发射在不同光谱区间内的谱权重再分配信息，能够降低峰位判定不确定性对测量精度的影响，同时提升读出对实验条件波动的稳定性。比率型光学测压的物理基础在于 2E 与 4T2 两个激发态势能面的交叉行为：随着压力作用下 Cr–O 键长缩短、晶体场强度增强，4T2 能级不断上移，2E–4T2 能级间距随之增大，从而显著改变两能级的布居比例。
图3 Y3In2Ga3O12:8% Cr3+ 光学行为表征与荧光强度比测压
Y3In2Ga3O12:8% Cr3+的最大温度不变测压因子 TIMFMAX = 7700 K·GPa-1，在已报道的Cr3+基光学压力计中处于最高水平（图 4）。这一异常高的 TIMF 主要源于体系极低的热灵敏度SR,T 与高度刚性的晶格结构的协同作用，后者有效抑制了温度变化引起的 Cr3+ 八面体配位环境的热形变。结构刚性与适中的晶体场强度相结合，使压力与温度响应得以有效解耦，从而实现了热不变且可重复的光学压力读出。
图4 Y3In2Ga3O12 :Cr3+发光材料测压热扰动分析
时间门控策略能够有效捕捉压力诱导的发光动力学变化。随着外加压力的增加，晶体场强度不断增强，4T2 能级整体上移，2E-4T2 能级间距逐渐增大，从而抑制了热激活的 2E→4A2 反向跃迁以及相关的非辐射弛豫过程。发光行为随之逐步由自旋允许的 4T2→4A2 跃迁向自旋禁阻的 2E→4A2 跃迁主导转变，使得体系的平均发光寿命随压力升高而显著延长。通过将光谱信息与时间门控检测相结合，该“光谱–时间”耦合策略能够在电子跃迁层面抑制温度干扰，实现自参比、热不变的光学压力读出(图5).
图5 Y3In2Ga3O12 :Cr3+时间门控比例式测压
时间门控比例式测压策略以不同时间门内的积分强度比作为压力读出量，具有更显著的优势。首先，时间门控比例式测压以延迟时间窗口作为内部参照，能够有效抵消激发强度波动、光路耦合变化以及样品用量差异等导致的整体强度漂移，从方法学上增强了自参比特性；其次，时间门控将压力诱导的衰减重分布信息转化为比率信号，使得压力作用下“衰减曲线形状变化”被更充分地利用，从而显著放大压力诱导的动力学差异并提升灵敏度；第三，通过规避早期时间门（易受瞬态背景与散射影响），时间门控比例式测压 进一步降低了温度引起的基线漂移及仪器伪差对测量的干扰，提高了读出在不同测试条件下的可重复性与稳健性。综合而言，时间门控比例式测压策略在灵敏度、抗干扰能力与数据获取效率之间实现了更优平衡，为实现高保真、可成像、适用于复杂热–力耦合环境的光学测压提供了更具工程可行性的读出路径。
图6 Y3In2Ga3O12 :Cr3+时间门控比例式测压热扰动分析
结论：本工作围绕 Cr3+ 基发光压力计中温度–压力交叉敏感性这一关键问题，提出并构建了一种光谱–时间双通道比率型光学测压策略。选用具有较高晶格刚性和适中晶体场强度（Dq/B = 2.2）的石榴石型 Y3In2Ga3O12:8% Cr3+ 作为模型体系，通过协同利用稳态光谱信息与时间门控发光动力学信号，实现了对压力信号的自参比读出与温度干扰的有效抑制。
（1）基于稳态发射光谱构建的比率型光学测压通道在保证较高压力灵敏度的同时，显著降低了温度变化对读出的影响。得益于刚性石榴石晶格对 Cr3+ 八面体配位环境的稳定作用，该体系在光谱域获得了高达 ≈7700 K·GPa–1 的温度不变测压因子，远高于传统红宝石压力计，体现出优异的热稳定测压性能
（2）在发光动力学层面，通过引入时间门控比率型读出策略，将压力诱导的衰减重分布信息转化为时间窗口积分强度之比，有效放大了压力对发光过程的调制效应。与常规平均寿命分析相比，该方法在保持良好单调性的同时，将 温度不变测压因子提升约一个数量级，并实现了最高 ≈2500 K·GPa-1 的热不变测压性能。
（3）时间门控比率型读出不仅显著提升了测压灵敏度，其最大相对压力灵敏度可达 51 %·GPa-1，同时还具备良好的工程可实现性。该方法避免了对完整衰减曲线拟合的依赖，仅需有限时间窗口的信号采集，适用于空间分辨压力成像及复杂热–力耦合环境下的快速测量。
本工作证明，将高刚性基质晶格设计与光谱–时间双参量比率型读出策略相结合，是有效缓解 Cr3+ 基发光压力计中温度–压力交叉敏感性的重要途径。该策略在灵敏度、热稳定性与读出可靠性之间实现了良好平衡，为构建热不变、自参比且可成像的光学压力传感体系提供了新的设计思路，对其在极端热–力环境下的实际应用具有重要参考。
论文信息：
Ke Su, Maja Szymczak, Lefu Mei, Xin Pan ,Marcin Runowski,Przemysław Woźny,Qingfeng Guo ,Bin Ma ,Libing Liao,Zhijian Peng ,Lukasz Marciniak. “Spectro-Temporal Ratiometric Strategy for Thermally Invariant Optical Manometry.” Advanced Materials (2026): e22909. https://doi.org/10.1002/adma.202522909
