基于聚合物體光柵的全息傳感器溫度響應(yīng)特性

王施禪， 丁宇航， 劉鴻鵬， 王維波

(中國民航大學(xué) 理學(xué)院,天津 300300)

0 引 言

近年來,基于有機(jī)聚合物材料的全息光學(xué)裝置研制受到廣泛重視[1-4]。有機(jī)聚合物由于其研制成本低、制備方法簡(jiǎn)單、全息光學(xué)現(xiàn)象顯著等優(yōu)勢(shì)而逐步取代晶體成為全息光學(xué)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(jià)值，成為近年來新興的研究熱點(diǎn)領(lǐng)域[7-8]。全息傳感器基于體光柵的膨脹與收縮原理實(shí)現(xiàn)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(dāng)外界環(huán)境發(fā)生改變后，聚合物材料易于隨之發(fā)生相應(yīng)的膨脹或收縮,其內(nèi)部所寫入的全息體光柵的條紋間距發(fā)生改變。當(dāng)使用連續(xù)譜激光光源進(jìn)行光柵讀取時(shí)，其衍射光譜峰值位置發(fā)生顯著移動(dòng)。定標(biāo)環(huán)境因素與光譜偏移量，便能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境質(zhì)量全息傳感。同時(shí)全息光學(xué)直觀的圖像技術(shù)，使得傳感器能夠產(chǎn)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(fā)生顯著改變，因此該類型傳感器在廉價(jià)、可視化的傳感領(lǐng)域有著十分重要的應(yīng)用潛力與發(fā)展前景[9-10]。

溫度是一個(gè)重要的環(huán)境指標(biāo)，溫度的波動(dòng)對(duì)于全息傳感器的影響將直接決定著該裝置的應(yīng)用能力與應(yīng)用范圍,同時(shí)傳感器的溫度敏感特征對(duì)于分析、改善傳感裝置的性能十分重要[11-13]。從教學(xué)上講，聚合物全息傳感器的溫度響應(yīng)性能十分適合于作為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程。該器件可以在實(shí)驗(yàn)室自行制備，安全無毒性，適于學(xué)生自己操作并開展測(cè)試。并且傳感現(xiàn)象直觀易懂，易于獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，能夠很好地替代現(xiàn)有的全息照相實(shí)驗(yàn)裝置。同時(shí)全息傳感器代表該領(lǐng)域的最新科技成果，能夠使學(xué)生很好地掌握其相關(guān)原理，有助于提高學(xué)生的科研與創(chuàng)新意識(shí)，提升學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備水平。

1 材料與實(shí)驗(yàn)裝置

丙烯酰胺聚合物系統(tǒng)是制備全息傳感器、探索溫度響應(yīng)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(yīng)時(shí)間等,并且其主要成分均具有環(huán)境敏感能力，適合制備全息傳感器。該聚合物系統(tǒng)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(lián)劑，三乙醇胺鏈轉(zhuǎn)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(lán)作為主要光敏劑,丙烯酰胺存儲(chǔ)系統(tǒng)由于其多種成分均具有吸附性能，因此能夠很好地對(duì)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(shí)施方案如下：取玻璃燒杯，將聚乙烯醇以10%(質(zhì)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?yōu)闊o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(lán)光敏染料按(質(zhì)量百分比)10%∶30%∶5%∶0.1%稱量并進(jìn)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?yōu)槌吻迦芤簽橹埂２捎媚z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(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

全息傳感器的研制是基于反射式光柵開展的。實(shí)驗(yàn)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(nèi)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(xù)譜激光光源作為光柵的探測(cè)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(shí)時(shí)衍射光譜通過光纖光譜儀進(jìn)行直接接收與處理。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的響應(yīng)性能研究，在材料所在的玻璃基底上加入2個(gè)加熱片，并通過恒流源控制加熱電流，采用熱電偶實(shí)時(shí)反饋全息光柵的溫度。實(shí)驗(yàn)中改變溫度的同時(shí)考慮到濕度的影響，也進(jìn)行了濕度變化性能分析,為此通過濕度計(jì)控制并反饋環(huán)境濕度特征。

2 反射式光柵溫度響應(yīng)特性

為了詳細(xì)測(cè)試全息傳感器的溫度響應(yīng)特性，實(shí)驗(yàn)中對(duì)樣品的溫度進(jìn)行了精確的控制。當(dāng)材料內(nèi)部記錄一個(gè)反射式全息體光柵后，增加樣品曝光點(diǎn)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(shí)間的升高過程為線性。初始實(shí)驗(yàn)過程保持環(huán)境濕度30%，環(huán)境溫度26 ℃,通過光柵衍射譜峰值位置反饋溫度響應(yīng)特性。

圖2描述的是反射式光柵衍射譜的溫度響應(yīng)特征曲線。其中圖2(a)代表的是實(shí)驗(yàn)過程中溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系?？梢钥闯?溫度隨時(shí)間的變化是很好的線性關(guān)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(xù)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(yīng)分析。

圖1 全息傳感器反射式光柵記錄與溫度響應(yīng)特征測(cè)試裝置

(a) 溫升速率

(b) 光譜響應(yīng)三維曲線

圖3(a)展示的是通過對(duì)三維衍射譜峰值的提取，峰值衍射波長(zhǎng)與溫度的關(guān)系曲線?？梢钥闯?隨著溫度的升高，光柵衍射譜發(fā)生了顯著藍(lán)移，并且該藍(lán)移超過了10 nm,在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)(5%)，峰值波長(zhǎng)與溫度符合很好的線性關(guān)系。說明盡管溫度能夠?qū)е戮酆衔锊牧习l(fā)生熱膨脹，然而波長(zhǎng)藍(lán)移說明熱膨脹現(xiàn)象并不是光柵衍射譜藍(lán)移的主要因素,其可能的藍(lán)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(duì)強(qiáng)度隨溫度的變化關(guān)系。兩者也近似滿足線性關(guān)系,衍射強(qiáng)度的相對(duì)改變超過了50%，并且呈現(xiàn)強(qiáng)度降低趨勢(shì)。說明溫度的增加導(dǎo)致折射率光柵的調(diào)制度減少，隨之而來的是衍射強(qiáng)度與衍射效率的降低。溫度能夠?qū)е乱呀?jīng)形成空間調(diào)制分布的光產(chǎn)物大分子發(fā)生擴(kuò)散，從而松弛原有的折射率調(diào)制分布，使得光柵發(fā)生顯著衰減。因此,從保持衍射強(qiáng)度方面講，超過50 ℃的操作環(huán)境并不適合于聚合物全息傳感器的使用。

3 濕度變化對(duì)溫度響應(yīng)的影響

實(shí)驗(yàn)測(cè)試了不同濕度環(huán)境下溫度導(dǎo)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(shí)控制全息傳感器的微環(huán)境濕度，并維持在一個(gè)特定的數(shù)值，而后實(shí)時(shí)探測(cè)光柵衍射譜峰值,實(shí)驗(yàn)中選用的相對(duì)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(guān)系。實(shí)驗(yàn)中的溫度隨時(shí)間變化曲線是線性增長(zhǎng)的，如圖4(b)所示。所獲取的峰值位置隨時(shí)間的變化也滿足線性關(guān)系。這說明全息傳感器具有較高的溫度響應(yīng)能力，隨溫度能夠線性的移動(dòng)與傳感。50%濕度下的最大峰值波長(zhǎng)偏移量接近50 nm，明顯高于圖3的30%濕度下的10 nm數(shù)值。這說明濕度的增加擴(kuò)展了溫度導(dǎo)致的波長(zhǎng)藍(lán)移范圍。

圖3 光柵衍射譜提取出的峰值波長(zhǎng)(a)與相對(duì)衍射強(qiáng)度(b)的溫度響應(yīng)特征曲線

圖4 50%相對(duì)濕度環(huán)境下全息傳感器的溫度響應(yīng)特征曲線

由圖5(a)可見,最大峰值波長(zhǎng)藍(lán)移接近70 nm，超過了50%的50 nm與30%相對(duì)濕度的10 nm情況。這證明了濕度能夠進(jìn)一步擴(kuò)展光譜響應(yīng)范圍。圖5(b)的衍射譜峰值波長(zhǎng)的時(shí)間變化規(guī)律仍然說明全息傳感器具有較高的線性響應(yīng)區(qū)域。

圖5 70%相對(duì)濕度下的全息傳感器溫度響應(yīng)特征曲線

4 主要因素分析

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

λ=2nΛ·sinθ

(1)

為了表述峰值波長(zhǎng)移動(dòng)的主要影響因素，將上式進(jìn)行差分處理，可以描述如下：

(2)

包括3個(gè)改變量，分別為Δn、ΔΛ及Δθ。由于實(shí)驗(yàn)時(shí)溫度逐步升高，故光柵間距應(yīng)該是逐漸增大的,而讀出光角度在整個(gè)過程中幾乎保持不變,唯有平均折射率是一個(gè)主要探尋的焦點(diǎn)。

為了證實(shí)折射率在溫度升高過程中的變化趨勢(shì)，測(cè)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(jì)，該儀器對(duì)折射率的測(cè)量能夠精確到小數(shù)點(diǎn)后第4位。

由表1觀察到明顯的平均折射率降低過程,證實(shí)隨著溫度的升高，樣品折射率始終處于降低狀態(tài)，并最終趨于穩(wěn)定值。在較高的濕度下(如70%)，材料由于吸收了較多的水分，導(dǎo)致其整體的折射率低于50%相對(duì)濕度的情況。這是因?yàn)樗肿拥恼凵渎氏鄬?duì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并對(duì)比方程(2)證實(shí)，全息傳感器的溫度響應(yīng)過程中導(dǎo)致的峰值波長(zhǎng)藍(lán)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(duì)濕度與溫度下的折射率

5 結(jié) 語

基于有機(jī)聚合物材料的全息傳感器有著制備方法簡(jiǎn)單、成本低廉、光柵衍射光譜響應(yīng)顯著等優(yōu)勢(shì)。溫度作為一個(gè)重要的環(huán)境參數(shù)，對(duì)傳感器的傳感測(cè)量有著直接影響。通過對(duì)溫度導(dǎo)致的光譜響應(yīng)測(cè)試研究分析，發(fā)現(xiàn)在常見的儀器溫度使用范圍內(nèi)，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(xiàn)溫度的影響，即波長(zhǎng)藍(lán)移。同時(shí)濕度的增加能夠繼續(xù)擴(kuò)大峰值波長(zhǎng)藍(lán)移的范圍，濕度從30%增加至50%過程中，峰值衍射光譜移動(dòng)范圍從10 nm擴(kuò)展至70 nm。為分析光譜峰值藍(lán)移的主要原因，我們測(cè)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(fā)現(xiàn)了折射率顯著下降的趨勢(shì)。證明了藍(lán)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(jī)制提供了重要實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。同時(shí)該實(shí)驗(yàn)測(cè)試為全息傳感器的實(shí)用化提供了重要環(huán)境響應(yīng)參數(shù)。由于全息傳感器顯著的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與較低的裝置成本，將該裝置的溫度響應(yīng)特性應(yīng)用于演示教學(xué)將取得很好的教學(xué)效果。在顯著實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，能夠使學(xué)生了解并掌全息光學(xué)裝置科技前沿發(fā)展現(xiàn)狀與最新應(yīng)用領(lǐng)域。

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