基于聚合物體光柵的全息傳感器溫度響應特性

王施禪， 丁宇航， 劉鴻鵬， 王維波

(中國民航大學 理學院,天津 300300)

0 引 言

近年來,基于有機聚合物材料的全息光學裝置研制受到廣泛重視[1-4]。有機聚合物由于其研制成本低、制備方法簡單、全息光學現象顯著等優勢而逐步取代晶體成為全息光學器件的主要研制材料[5-6]。諸多裝置中聚合物基全息傳感器有著較高的探索價值，成為近年來新興的研究熱點領域[7-8]。全息傳感器基于體光柵的膨脹與收縮原理實現光柵衍射光譜的峰值位置偏移。由于采用聚合物材料制作光柵，當外界環境發生改變后，聚合物材料易于隨之發生相應的膨脹或收縮,其內部所寫入的全息體光柵的條紋間距發生改變。當使用連續譜激光光源進行光柵讀取時，其衍射光譜峰值位置發生顯著移動。定標環境因素與光譜偏移量，便能夠實現環境質量全息傳感。同時全息光學直觀的圖像技術，使得傳感器能夠產生色彩鮮艷、圖案美觀的全息圖，并且其色彩在傳感過程中能夠發生顯著改變，因此該類型傳感器在廉價、可視化的傳感領域有著十分重要的應用潛力與發展前景[9-10]。

溫度是一個重要的環境指標，溫度的波動對于全息傳感器的影響將直接決定著該裝置的應用能力與應用范圍,同時傳感器的溫度敏感特征對于分析、改善傳感裝置的性能十分重要[11-13]。從教學上講，聚合物全息傳感器的溫度響應性能十分適合于作為大學物理實驗課程。該器件可以在實驗室自行制備，安全無毒性，適于學生自己操作并開展測試。并且傳感現象直觀易懂，易于獲取相關數據，能夠很好地替代現有的全息照相實驗裝置。同時全息傳感器代表該領域的最新科技成果，能夠使學生很好地掌握其相關原理，有助于提高學生的科研與創新意識，提升學生的知識儲備水平。

1 材料與實驗裝置

丙烯酰胺聚合物系統是制備全息傳感器、探索溫度響應性能的主要材料[14]。由于該材料具有較高的全息性能，包括衍射效率、響應時間等,并且其主要成分均具有環境敏感能力，適合制備全息傳感器。該聚合物系統主要成分有：丙烯酰胺單體，聚乙烯醇基底，NN亞甲基雙丙烯酰胺交聯劑，三乙醇胺鏈轉移劑，以及具有光敏能力的染料作為光敏劑。本文選用具有紅光敏感能力的亞甲基藍作為主要光敏劑,丙烯酰胺存儲系統由于其多種成分均具有吸附性能，因此能夠很好地對溫度、濕度傳感能力[15]。

全息傳感器采用涂膜方法制備，具體實施方案如下：取玻璃燒杯，將聚乙烯醇以10%(質量百分比)與去離子水共混，將混合物升溫至70 ℃，并不斷攪拌溶解，直至溶液變為無色透明黏稠狀為止。另外,取干凈燒杯，將丙烯酰胺、三乙醇胺、亞甲基雙丙烯酰胺、亞甲基藍光敏染料按(質量百分比)10%∶30%∶5%∶0.1%稱量并進行混合。待聚乙烯醇溫度接近室溫后將混合物與其共混，并不斷攪拌，直至變為澄清溶液為止。采用膠頭滴管將混合液滴于玻璃基片上，自然干燥36～48 h后便可用于溫度響應實驗測試。

全息傳感器的研制是基于反射式光柵開展的。實驗中采用傾斜反射式全息光柵記錄裝置記錄全息光柵，所用裝置如圖1(a)所示。兩束記錄光以120°夾角交匯到樣品內部，并通過光的干涉原理寫入全息反射式體光柵,為了增加傳感裝置的敏感性，光柵傾角為10°。超連續譜激光光源作為光柵的探測白光源，沿著其中一束記錄光的反方向入射至光柵,光柵的實時衍射光譜通過光纖光譜儀進行直接接收與處理。為了實現對溫度的響應性能研究，在材料所在的玻璃基底上加入2個加熱片，并通過恒流源控制加熱電流，采用熱電偶實時反饋全息光柵的溫度。實驗中改變溫度的同時考慮到濕度的影響，也進行了濕度變化性能分析,為此通過濕度計控制并反饋環境濕度特征。

2 反射式光柵溫度響應特性

為了詳細測試全息傳感器的溫度響應特性，實驗中對樣品的溫度進行了精確的控制。當材料內部記錄一個反射式全息體光柵后，增加樣品曝光點附近的溫度,溫度范圍從室溫開始至50 ℃，溫度的分辨率為0.1 ℃。溫度隨時間的升高過程為線性。初始實驗過程保持環境濕度30%，環境溫度26 ℃,通過光柵衍射譜峰值位置反饋溫度響應特性。

圖2描述的是反射式光柵衍射譜的溫度響應特征曲線。其中圖2(a)代表的是實驗過程中溫度隨時間的變化關系。可以看出,溫度隨時間的變化是很好的線性關系。圖2(b)展示的是光柵衍射譜的三維曲線,圖中清晰展示了連續譜光源衍射光譜曲線，峰值位置能夠清晰提取用于溫度響應分析。

圖1 全息傳感器反射式光柵記錄與溫度響應特征測試裝置

(a) 溫升速率

(b) 光譜響應三維曲線

圖3(a)展示的是通過對三維衍射譜峰值的提取，峰值衍射波長與溫度的關系曲線。可以看出,隨著溫度的升高，光柵衍射譜發生了顯著藍移，并且該藍移超過了10 nm,在實驗誤差范圍內(5%)，峰值波長與溫度符合很好的線性關系。說明盡管溫度能夠導致聚合物材料發生熱膨脹，然而波長藍移說明熱膨脹現象并不是光柵衍射譜藍移的主要因素,其可能的藍移原因是平均折射率的降低。

圖3(b)展示的是衍射譜峰值的相對強度隨溫度的變化關系。兩者也近似滿足線性關系,衍射強度的相對改變超過了50%，并且呈現強度降低趨勢。說明溫度的增加導致折射率光柵的調制度減少，隨之而來的是衍射強度與衍射效率的降低。溫度能夠導致已經形成空間調制分布的光產物大分子發生擴散，從而松弛原有的折射率調制分布，使得光柵發生顯著衰減。因此,從保持衍射強度方面講，超過50 ℃的操作環境并不適合于聚合物全息傳感器的使用。

3 濕度變化對溫度響應的影響

實驗測試了不同濕度環境下溫度導致的衍射光譜峰值偏移。采用密閉加濕裝置在改變溫度的同時控制全息傳感器的微環境濕度，并維持在一個特定的數值，而后實時探測光柵衍射譜峰值,實驗中選用的相對濕度分別為50%與70%。

由圖4(a)可以看出,在濕度為50%情況下，衍射譜峰值位置偏移與溫度間仍然滿足較好的線性關系。實驗中的溫度隨時間變化曲線是線性增長的，如圖4(b)所示。所獲取的峰值位置隨時間的變化也滿足線性關系。這說明全息傳感器具有較高的溫度響應能力，隨溫度能夠線性的移動與傳感。50%濕度下的最大峰值波長偏移量接近50 nm，明顯高于圖3的30%濕度下的10 nm數值。這說明濕度的增加擴展了溫度導致的波長藍移范圍。

圖3 光柵衍射譜提取出的峰值波長(a)與相對衍射強度(b)的溫度響應特征曲線

圖4 50%相對濕度環境下全息傳感器的溫度響應特征曲線

由圖5(a)可見,最大峰值波長藍移接近70 nm，超過了50%的50 nm與30%相對濕度的10 nm情況。這證明了濕度能夠進一步擴展光譜響應范圍。圖5(b)的衍射譜峰值波長的時間變化規律仍然說明全息傳感器具有較高的線性響應區域。

圖5 70%相對濕度下的全息傳感器溫度響應特征曲線

4 主要因素分析

根據光柵衍射理論的Bragg衍射條件，光柵衍射譜峰值波長與材料的折射率n、光柵條紋間距Λ、記錄光角度θ有關，可以描述為[16-17]：

λ=2nΛ·sinθ

(1)

為了表述峰值波長移動的主要影響因素，將上式進行差分處理，可以描述如下：

(2)

包括3個改變量，分別為Δn、ΔΛ及Δθ。由于實驗時溫度逐步升高，故光柵間距應該是逐漸增大的,而讀出光角度在整個過程中幾乎保持不變,唯有平均折射率是一個主要探尋的焦點。

為了證實折射率在溫度升高過程中的變化趨勢，測試了聚合物樣品在不同溫度與濕度下的平均折射率。所使用的儀器為阿貝折光計，該儀器對折射率的測量能夠精確到小數點后第4位。

由表1觀察到明顯的平均折射率降低過程,證實隨著溫度的升高，樣品折射率始終處于降低狀態，并最終趨于穩定值。在較高的濕度下(如70%)，材料由于吸收了較多的水分，導致其整體的折射率低于50%相對濕度的情況。這是因為水分子的折射率相對于聚合物主要基底成分而言較低，使得材料的平均折射率降低。因此,通過實驗數據并對比方程(2)證實，全息傳感器的溫度響應過程中導致的峰值波長藍移主要影響因素是樣品平均折射率的降低,而光柵間距在升溫過程中的作用并不顯著。

表1 聚合物全息傳感裝置不同相對濕度與溫度下的折射率

5 結 語

基于有機聚合物材料的全息傳感器有著制備方法簡單、成本低廉、光柵衍射光譜響應顯著等優勢。溫度作為一個重要的環境參數，對傳感器的傳感測量有著直接影響。通過對溫度導致的光譜響應測試研究分析，發現在常見的儀器溫度使用范圍內，傳感器具有較高的分辨與顯示能力。全息傳感器的光柵衍射光譜能夠直觀呈現溫度的影響，即波長藍移。同時濕度的增加能夠繼續擴大峰值波長藍移的范圍，濕度從30%增加至50%過程中，峰值衍射光譜移動范圍從10 nm擴展至70 nm。為分析光譜峰值藍移的主要原因，我們測試了材料的在不同溫度及濕度條件下的平均折射率變化，發現了折射率顯著下降的趨勢。證明了藍移的主要原因是平均折射率下降，為深入分析傳感器的傳感機制提供了重要實驗基礎。同時該實驗測試為全息傳感器的實用化提供了重要環境響應參數。由于全息傳感器顯著的實驗現象與較低的裝置成本，將該裝置的溫度響應特性應用于演示教學將取得很好的教學效果。在顯著實驗現象的基礎上，能夠使學生了解并掌全息光學裝置科技前沿發展現狀與最新應用領域。

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