聚合物全息傳感器的光熱效應及其可調(diào)諧濾波特性

劉麗麗，劉 琪，于 丹，王保華，李 立，劉鴻鵬

(1.天津理工大學理學院，天津 300384；2.中國民航大學理學院，天津 300300)

0 引言

全息傳感器是一種新興的光學傳感器[1-4]。由于其制備成本低廉，具有顯著的光譜學傳感現(xiàn)象與可視化的全息圖像，近年來受到了國內(nèi)外研究人員的廣泛關注。全息傳感器主要依賴于光敏記錄材料內(nèi)部的全息體光柵作為核心部件[5-7]。兩束相干光干涉能夠產(chǎn)生光強度的空間調(diào)制分布。當光敏記錄介質放置于該空間范圍內(nèi)，便能夠在記錄材料內(nèi)形成相位型全息體光柵。全息傳感器的傳感響應主要通過全息體光柵的衍射特征實現(xiàn)。外部環(huán)境特征的變化，如溫度、濕度、氣體等，能夠導致聚合物記錄介質發(fā)生膨脹與收縮[8-13]。材料內(nèi)部的全息體光柵將隨之發(fā)生折射率調(diào)制度、光柵間距、材料的平均折射率等一系列的變化。

當一束準直寬頻光源嚴格按照原始記錄光方向入射光柵后，未發(fā)生任何改變的全息體光柵將衍射原始記錄光波長的衍射光。若發(fā)生傳感響應，相應的光柵衍射特征將隨著環(huán)境特征的變化而變化，如將產(chǎn)生包括衍射光譜峰值波長偏移、衍射強度變化等在內(nèi)的多種衍射現(xiàn)象改變。應用普通的光纖光譜儀便能夠實時采集衍射光譜峰值波長。通過標定波長偏移量與外部環(huán)境參量的變化，便能夠實現(xiàn)全息傳感器的定標與性能測試。相比于其他傳感方式，如光子晶體[14]、光纖Bragg光柵[15]等，全息傳感器有著自身的顯著優(yōu)勢。光子晶體傳感器雖與全息傳感器有著相似的光柵衍射原理，然而光子晶體是通過納米微球的層層排布實現(xiàn)類晶格排列。該方式制備繁雜、受研制過程的環(huán)境影響較大。同時光子晶體較脆、易碎問題，使得其在很多應用中受到了限制。而光纖Bragg光柵的研制需要通過輔助手段在硅基光纖內(nèi)刻入光柵，其成本過高，同時可操作性較差，光纖芯易碎問題較難克服。

基于全息體光柵的衍射光譜可調(diào)性，能夠為研制光學可調(diào)諧濾波器提供可能。光學可調(diào)諧濾波器是一種能夠篩選出所需一個或者多個波長光譜信號的裝置。其在可調(diào)諧LED、激光器、光纖通訊、光纖傳感、生物醫(yī)療、全光網(wǎng)絡互聯(lián)等領域中有著至關重要的作用。尤其是在全光網(wǎng)絡互聯(lián)領域，光學可調(diào)諧濾波器能夠用于波長轉換系統(tǒng)、可重構的波分復用系統(tǒng)以及光傳輸性能監(jiān)控等。光學可調(diào)諧濾波器的使用能夠減少光電器件的相互轉換，實現(xiàn)全光學互聯(lián)與傳輸。然而目前絕大多數(shù)光學可調(diào)諧濾波器均采用電驅動液晶，利用液晶的雙折射或法布里珀羅干涉腔等方式實現(xiàn)濾波調(diào)諧。然而面對一些特殊的應用環(huán)境，如可能需要遠程非接觸式、無機械部件、無外部電路驅動的光學調(diào)諧，上述方式的濾波器均不能滿足要求。全息傳感器的光熱可調(diào)諧性能為新型光學可調(diào)諧濾波器的研制提供了可能。

1 聚合物材料的制備與實驗裝置

實驗中所使用的熱敏記錄介質是N異丙基丙烯酰胺光致聚合物系統(tǒng)16-18]。該系統(tǒng)由單體N異丙基丙烯酰胺(NIPA)，光敏劑亞甲基藍(MB，用于吸收633 nm的He-Ne激光器發(fā)出的紅光)，交聯(lián)劑NN亞甲基雙丙烯酰胺(BAA)，鏈轉移劑三乙醇胺(TEA)，基底聚乙烯醇(PVA)構成。為了增加材料的光熱效應，在材料研制過程中，摻雜還原氧化石墨烯納米粒子(GO)用于增加材料的光熱吸收效應。聚合物材料的研制流程如圖1(a)所示，描述如下：

首先取一個干凈燒杯，將聚乙烯醇白色粉末稱重并單獨加入去離子水中。將該混合液加熱至70℃，并不斷攪拌，將白色粉末充分溶解，形成聚乙烯醇溶液，并將其冷卻至室溫待用。同時將N異丙基丙烯酰胺，亞甲基藍，三乙醇胺，還原氧化石墨烯納米粒子按比例稱重并在另外的燒杯中混合均勻。然后將上述澄清藍色混合液與聚乙烯醇溶液共混，持續(xù)攪拌下形成均勻混合液體。靜置后涂抹于玻璃基片上，待室溫干燥48 h后便可用于全息光柵的記錄與光熱效應實驗測試。

圖1(b)為不同還原氧化石墨烯納米粒子摻雜下的樣品吸收譜?？梢钥闯鲞€原氧化石墨烯納米粒子的摻雜能夠使材料的吸收峰發(fā)生紅移 。這能夠使材料增加對于近紅外光的吸收能力。從而進一步增加光熱效應。同時納米粒子摻雜質量的增加將是的材料的透光性減弱。因此不能通過大量的納米粒子摻雜來增加材料的光熱吸收能力，同時將減弱材料的光敏性能。優(yōu)化納米粒子的摻雜濃度是一種合適的方式。

(a)樣品制備流程

(b)不同還原氧化石墨烯納米粒子摻雜下的樣品吸收譜圖1 樣品的制備流程與不同還原氧化石墨烯納米粒子摻雜下的樣品吸收譜

為了實現(xiàn)最佳的全息光柵記錄特性，實驗中通過改變成分的摻雜比例，達到最佳的性能。成分摻雜比例如表1所示。其中樣品3所獲得的光致聚合物材料最適宜全息光柵的記錄。因此后續(xù)實驗中，采用樣品3所獲得的優(yōu)化配比。同時為了提高材料的光熱吸收效率，還原氧化石墨烯納米粒子的摻雜質量也進行了優(yōu)化實驗，相關實驗中樣品成分的比例如表2所示。

表1 樣品成分濃度的優(yōu)化配比

表2 樣品的成分比例

圖2描述了全息傳感器的記錄與光熱可調(diào)諧濾波特性試驗裝置示意圖。一束由He-Ne激光器發(fā)出的633 nm紅光，經(jīng)準直后分為兩束。其中一束光經(jīng)反射鏡反射后入射至樣品表面。另外一束光反射后，從樣品的另外一側入射至材料后表面。兩束相干光干涉后在材料內(nèi)部寫入相位型反射式光柵。應用一束有超連續(xù)譜光源發(fā)出的白光沿著其中一束光的反向入射至材料表面。經(jīng)光柵衍射后，其衍射光譜采用光纖光譜儀進行采集。樣品表面溫度的采集采用熱電偶進行，其示意性原理如圖2(b)所示。

(a)

(b)圖2 光熱可調(diào)諧濾波特性試驗測試裝置示意圖

2 光熱效應實驗結果

圖3描述了全息體光柵記錄后，超連續(xù)譜光源照射材料上，光致熱效應導致的全息光柵衍射光譜藍移，圖中的實線是采用指數(shù)函數(shù)的非線性擬合曲線。

(a)光柵衍射光譜隨時間的變化過程

(b)峰值波長的時間變化曲線

(c)相對衍射效率隨時間的變化曲線

(d)材料溫度的時間變化過程圖3 超連續(xù)譜光源照射下，聚合物全息體光柵的光熱波長藍移特性

其中圖3(a)為光柵衍射光譜隨時間變化過程的三維曲線。圖3(b)為提取的峰值波長時間變化過程。其中實線是采用指數(shù)函數(shù)的非線性擬合曲線。典型的響應時間為1.67 s。圖3(c)描述的是提取的相對衍射效率隨時間的變化曲線。同樣，圖中實線是采用指數(shù)函數(shù)的非線性擬合曲線。典型的響應時間為0.37 s。圖3(d)描述的是超連續(xù)譜光源開啟與關閉過程中，光致熱效應導致的材料升溫與降溫的過程?？梢钥闯鰷囟茸罡叩姆€(wěn)定值為60 ℃。溫度的上升與下降均能夠較快進行。首次光照射后，材料藍移的主要原因是光熱效應導致的材料平均折射率降低。

圖4展示了當寬頻光源關閉，材料冷卻至室溫后，超連續(xù)譜光源再次照射至材料上，衍射光譜峰值波長的紅移特征。圖4(a)可以看出峰值波長快速的紅移至最大值，并逐漸穩(wěn)定。相應的溫度變化也是從室溫開始逐漸增加至60 ℃。二者的時間變化趨勢均符合典型的指數(shù)函數(shù)形式。圖4(b)描述了不同氧化還原石墨烯納米粒子摻雜質量下，光熱峰值波長紅移過程，波長顯著紅移的誘因是材料的光熱膨脹。指數(shù)函數(shù)擬合能夠獲得相應的紅移時間常數(shù)，詳細數(shù)值描繪于圖4(c)中。

(a)光熱波長紅移過程中，溫度與波長移動變化規(guī)律

(b)不同還原氧化石墨烯納米粒子摻雜材料的光熱紅移特征

(c)還原氧化石墨烯納米粒子摻雜質量與波長紅移、溫度變化時間常數(shù)間的關系曲線圖4 聚合物全息體光柵的光熱衍射光譜峰值波長紅移特性

圖中橫軸代表納米粒子的摻雜質量，縱軸代表相應的時間常數(shù)。圖4(c)數(shù)據(jù)顯示最優(yōu)化的納米粒子摻雜質量為0.04 g。相應的溫度常數(shù)也是最優(yōu)值。

圖5為全息傳感器的光熱可調(diào)諧濾波過程。圖中開啟與關閉指的是超連續(xù)譜寬頻光源的開啟與關閉。當光柵記錄完畢后，兩干涉光束停止照射。隨后超連續(xù)譜光源開啟，消耗所有剩余光敏成分，將全息體光柵固定。隨后的再次反復開啟與關閉超連續(xù)譜光源，由于光熱效應的反復增加與衰減，相應的光譜峰值波長呈現(xiàn)出紅移與藍移的反復調(diào)諧過程。該過程十分適合于作為光熱可調(diào)諧濾波器的研制。若能夠精確設計光熱溫度與相應的調(diào)諧波長，便能夠實現(xiàn)基于聚合物材料的光熱可調(diào)諧濾波器的研制。其波長調(diào)諧范圍與響應速度可以通過降低材料厚度而相應的有所改善，進而適應更高要求的應用環(huán)境。

圖5 光熱可調(diào)諧濾波性能測試結果

3 結束語

研制了還原氧化石墨烯納米粒子摻雜的光致聚合物，并用其記錄了全息體光柵。結果證實，在超連續(xù)譜光源的照射下，材料能夠快速產(chǎn)生光致熱效應。隨后，光熱效應能夠伴隨光源的關閉快速消失。該熱效應能夠實現(xiàn)光柵衍射光譜的快速移動，從而快速調(diào)諧衍射光波長，實現(xiàn)濾波器的作用。實驗優(yōu)化了納米粒子的摻雜比例，并證實了光熱波長調(diào)諧的可逆性與可重復性。基于全息體光柵的光熱可調(diào)諧濾波器能夠為新型濾波器的研制提供一條新穎的研究思路，同時為該器件的研制提供了重要的實驗基礎。