基于聚合物体光栅的全息传感器温度响应特性

王施禅， 丁宇航， 刘鸿鹏， 王维波

(中国民航大学 理学院,天津 300300)

0 引 言

近年来,基于有机聚合物材料的全息光学装置研制受到广泛重视[1-4]。有机聚合物由于其研制成本低、制备方法简单、全息光学现象显著等优势而逐步取代晶体成为全息光学器件的主要研制材料[5-6]。诸多装置中聚合物基全息传感器有着较高的探索价值，成为近年来新兴的研究热点领域[7-8]。全息传感器基于体光栅的膨胀与收缩原理实现光栅衍射光谱的峰值位置偏移。由于采用聚合物材料制作光栅，当外界环境发生改变后，聚合物材料易于随之发生相应的膨胀或收缩,其内部所写入的全息体光栅的条纹间距发生改变。当使用连续谱激光光源进行光栅读取时，其衍射光谱峰值位置发生显著移动。定标环境因素与光谱偏移量，便能够实现环境质量全息传感。同时全息光学直观的图像技术，使得传感器能够产生色彩鲜艳、图案美观的全息图，并且其色彩在传感过程中能够发生显著改变，因此该类型传感器在廉价、可视化的传感领域有着十分重要的应用潜力与发展前景[9-10]。

温度是一个重要的环境指标，温度的波动对于全息传感器的影响将直接决定着该装置的应用能力与应用范围,同时传感器的温度敏感特征对于分析、改善传感装置的性能十分重要[11-13]。从教学上讲，聚合物全息传感器的温度响应性能十分适合于作为大学物理实验课程。该器件可以在实验室自行制备，安全无毒性，适于学生自己操作并开展测试。并且传感现象直观易懂，易于获取相关数据，能够很好地替代现有的全息照相实验装置。同时全息传感器代表该领域的最新科技成果，能够使学生很好地掌握其相关原理，有助于提高学生的科研与创新意识，提升学生的知识储备水平。

1 材料与实验装置

丙烯酰胺聚合物系统是制备全息传感器、探索温度响应性能的主要材料[14]。由于该材料具有较高的全息性能，包括衍射效率、响应时间等,并且其主要成分均具有环境敏感能力，适合制备全息传感器。该聚合物系统主要成分有：丙烯酰胺单体，聚乙烯醇基底，NN亚甲基双丙烯酰胺交联剂，三乙醇胺链转移剂，以及具有光敏能力的染料作为光敏剂。本文选用具有红光敏感能力的亚甲基蓝作为主要光敏剂,丙烯酰胺存储系统由于其多种成分均具有吸附性能，因此能够很好地对温度、湿度传感能力[15]。

全息传感器采用涂膜方法制备，具体实施方案如下：取玻璃烧杯，将聚乙烯醇以10%(质量百分比)与去离子水共混，将混合物升温至70 ℃，并不断搅拌溶解，直至溶液变为无色透明黏稠状为止。另外,取干净烧杯，将丙烯酰胺、三乙醇胺、亚甲基双丙烯酰胺、亚甲基蓝光敏染料按(质量百分比)10%∶30%∶5%∶0.1%称量并进行混合。待聚乙烯醇温度接近室温后将混合物与其共混，并不断搅拌，直至变为澄清溶液为止。采用胶头滴管将混合液滴于玻璃基片上，自然干燥36～48 h后便可用于温度响应实验测试。

全息传感器的研制是基于反射式光栅开展的。实验中采用倾斜反射式全息光栅记录装置记录全息光栅，所用装置如图1(a)所示。两束记录光以120°夹角交汇到样品内部，并通过光的干涉原理写入全息反射式体光栅,为了增加传感装置的敏感性，光栅倾角为10°。超连续谱激光光源作为光栅的探测白光源，沿着其中一束记录光的反方向入射至光栅,光栅的实时衍射光谱通过光纤光谱仪进行直接接收与处理。为了实现对温度的响应性能研究，在材料所在的玻璃基底上加入2个加热片，并通过恒流源控制加热电流，采用热电偶实时反馈全息光栅的温度。实验中改变温度的同时考虑到湿度的影响，也进行了湿度变化性能分析,为此通过湿度计控制并反馈环境湿度特征。

2 反射式光栅温度响应特性

为了详细测试全息传感器的温度响应特性，实验中对样品的温度进行了精确的控制。当材料内部记录一个反射式全息体光栅后，增加样品曝光点附近的温度,温度范围从室温开始至50 ℃，温度的分辨率为0.1 ℃。温度随时间的升高过程为线性。初始实验过程保持环境湿度30%，环境温度26 ℃,通过光栅衍射谱峰值位置反馈温度响应特性。

图2描述的是反射式光栅衍射谱的温度响应特征曲线。其中图2(a)代表的是实验过程中温度随时间的变化关系。可以看出,温度随时间的变化是很好的线性关系。图2(b)展示的是光栅衍射谱的三维曲线,图中清晰展示了连续谱光源衍射光谱曲线，峰值位置能够清晰提取用于温度响应分析。

图1 全息传感器反射式光栅记录与温度响应特征测试装置

(a) 温升速率

(b) 光谱响应三维曲线

图3(a)展示的是通过对三维衍射谱峰值的提取，峰值衍射波长与温度的关系曲线。可以看出,随着温度的升高，光栅衍射谱发生了显著蓝移，并且该蓝移超过了10 nm,在实验误差范围内(5%)，峰值波长与温度符合很好的线性关系。说明尽管温度能够导致聚合物材料发生热膨胀，然而波长蓝移说明热膨胀现象并不是光栅衍射谱蓝移的主要因素,其可能的蓝移原因是平均折射率的降低。

图3(b)展示的是衍射谱峰值的相对强度随温度的变化关系。两者也近似满足线性关系,衍射强度的相对改变超过了50%，并且呈现强度降低趋势。说明温度的增加导致折射率光栅的调制度减少，随之而来的是衍射强度与衍射效率的降低。温度能够导致已经形成空间调制分布的光产物大分子发生扩散，从而松弛原有的折射率调制分布，使得光栅发生显著衰减。因此,从保持衍射强度方面讲，超过50 ℃的操作环境并不适合于聚合物全息传感器的使用。

3 湿度变化对温度响应的影响

实验测试了不同湿度环境下温度导致的衍射光谱峰值偏移。采用密闭加湿装置在改变温度的同时控制全息传感器的微环境湿度，并维持在一个特定的数值，而后实时探测光栅衍射谱峰值,实验中选用的相对湿度分别为50%与70%。

由图4(a)可以看出,在湿度为50%情况下，衍射谱峰值位置偏移与温度间仍然满足较好的线性关系。实验中的温度随时间变化曲线是线性增长的，如图4(b)所示。所获取的峰值位置随时间的变化也满足线性关系。这说明全息传感器具有较高的温度响应能力，随温度能够线性的移动与传感。50%湿度下的最大峰值波长偏移量接近50 nm，明显高于图3的30%湿度下的10 nm数值。这说明湿度的增加扩展了温度导致的波长蓝移范围。

图3 光栅衍射谱提取出的峰值波长(a)与相对衍射强度(b)的温度响应特征曲线

图4 50%相对湿度环境下全息传感器的温度响应特征曲线

由图5(a)可见,最大峰值波长蓝移接近70 nm，超过了50%的50 nm与30%相对湿度的10 nm情况。这证明了湿度能够进一步扩展光谱响应范围。图5(b)的衍射谱峰值波长的时间变化规律仍然说明全息传感器具有较高的线性响应区域。

图5 70%相对湿度下的全息传感器温度响应特征曲线

4 主要因素分析

根据光栅衍射理论的Bragg衍射条件，光栅衍射谱峰值波长与材料的折射率n、光栅条纹间距Λ、记录光角度θ有关，可以描述为[16-17]：

λ=2nΛ·sinθ

(1)

为了表述峰值波长移动的主要影响因素，将上式进行差分处理，可以描述如下：

(2)

包括3个改变量，分别为Δn、ΔΛ及Δθ。由于实验时温度逐步升高，故光栅间距应该是逐渐增大的,而读出光角度在整个过程中几乎保持不变,唯有平均折射率是一个主要探寻的焦点。

为了证实折射率在温度升高过程中的变化趋势，测试了聚合物样品在不同温度与湿度下的平均折射率。所使用的仪器为阿贝折光计，该仪器对折射率的测量能够精确到小数点后第4位。

由表1观察到明显的平均折射率降低过程,证实随着温度的升高，样品折射率始终处于降低状态，并最终趋于稳定值。在较高的湿度下(如70%)，材料由于吸收了较多的水分，导致其整体的折射率低于50%相对湿度的情况。这是因为水分子的折射率相对于聚合物主要基底成分而言较低，使得材料的平均折射率降低。因此,通过实验数据并对比方程(2)证实，全息传感器的温度响应过程中导致的峰值波长蓝移主要影响因素是样品平均折射率的降低,而光栅间距在升温过程中的作用并不显著。

表1 聚合物全息传感装置不同相对湿度与温度下的折射率

5 结 语

基于有机聚合物材料的全息传感器有着制备方法简单、成本低廉、光栅衍射光谱响应显著等优势。温度作为一个重要的环境参数，对传感器的传感测量有着直接影响。通过对温度导致的光谱响应测试研究分析，发现在常见的仪器温度使用范围内，传感器具有较高的分辨与显示能力。全息传感器的光栅衍射光谱能够直观呈现温度的影响，即波长蓝移。同时湿度的增加能够继续扩大峰值波长蓝移的范围，湿度从30%增加至50%过程中，峰值衍射光谱移动范围从10 nm扩展至70 nm。为分析光谱峰值蓝移的主要原因，我们测试了材料的在不同温度及湿度条件下的平均折射率变化，发现了折射率显著下降的趋势。证明了蓝移的主要原因是平均折射率下降，为深入分析传感器的传感机制提供了重要实验基础。同时该实验测试为全息传感器的实用化提供了重要环境响应参数。由于全息传感器显著的实验现象与较低的装置成本，将该装置的温度响应特性应用于演示教学将取得很好的教学效果。在显著实验现象的基础上，能够使学生了解并掌全息光学装置科技前沿发展现状与最新应用领域。

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