The understanding of how radiative transition probabilities change with temperature is crucial for comprehending the relationship between fluorescence behavior and temperature. However, although various models have been proposed to explain the patterns of transition probabilities (A) with temperature changes, they lack consistency due to their derivation from distinct microscopic perspectives. In this study, the macroscopic law of the temperature-dependent A for the 4G5/2, 4F9/2, and 5D0 energy states in YVO4:Re3+(Re3+=Sm3+, Dy3+ and Eu3+) was obtained. Three rare earth ions (Re3+) were identified for each with unique energy level properties conducive to validating the general rules of A. These ions share a common characteristic: in the visible spectrum, their main emissions originate from the radiative transitions from the same higher energy level (4G5/2 in Sm3+, 4F9/2 in Dy3+, and 5D0 in Eu3+) to lower energy levels, respectively. The A of the main emission levels, varying with T, were obtained by fitting the fluorescence decay curves. The exponential law governing non-radiative transitions was revealed after separating the radiative transition rate (WR) from A. The macroscopic law of temperature-dependent transition probabilities of 4G5/2, 4F9/2, and 5D0 energy states in YVO4:Ln3+ (Ln3+=Sm3+, Dy3+ and Eu3+) has been found to follow the Boltzmann distribution. The results indicate that the non-radiative transitions of the main emission levels of the rare-earth ions are processes from the excited state to adjacent lower energy levels. This macroscopic pattern may serve as a foundational rule for understanding the impact of microscopic factors on A.

Abstract A wide range oxygen measurement system with the relative measurement error of less than 1.5% across 4 orders of magnitude of oxygen dynamic range has been developed. We proposed a theoretical evaluation method of the measurement capability of oxygen probes, which points that the relative measurement error (δ) is equal to the reciprocal of the product of signal-to-noise ratio (SNR) and relative sensitivity (Sr). A minimum value point in the curve of δ with oxygen concentration is existing due to the opposite trends of SNR and Sr. Based on the evaluation results, an oxygen probe group was selected scientifically for wide range oxygen measurement. The efficacy of the developed measurement system, featuring adaptive oxygen probe switching, was verified through testing, confirming its compliance with accuracy requirements for measurements.

The non-contact temperature measurement method based on the fluorescence intensity ratio of thermally coupled energy levels has emerged as a focal point of research in recent years due to its characteristics of short response time, suitability for extreme environments, and high sensitivity. The enhancement of relative sensitivity (Sr) is a key objective in refining ratio-metric optical thermometry. However, the Sr is limited by the thermometry strategies. Regarding excitation and monitoring methods, ratio-metric temperature measurement strategies typically adopt two distinct approaches: single-excitation dual-emission (S-D), and dual-excitation single-emission (D-S). In this study, we developed a dual-excitation dual-emission (D-D) thermometry strategy that theoretically and experimentally demonstrates higher Sr and reduced temperature uncertainty (δT). This advancement was achieved by analyzing thermal coupling energy levels (TCELs) and the red-shift charge transfer band (CTB) properties. YVO4:Er3+ was selected for experimental validation due to its pronounced thermal coupling and red-shift CTB effects. The experimental results show that the Sr(D-D) equal to the sum of Sr(S-D) and Sr(D-S), and 1/δT(D-D) equal to the sum of 1/δT(S-D) and 1/δT(D-S), which well verifies the theoretical expectations. Thus, the D-D strategy emerges as a novel and effective method for ratio-metric thermometry, promising enhanced precision in temperature measurements.