基于高弹性聚合物全息传感器的位移响应特性研究

焦新莹，王 蕊，王保华，刘鸿鹏

(中国民航大学理学院，天津 300300)

0 引言

全息光学器件与装置在多种光通信相关领域有着重要应用，也一直是研究人员探索的重点课题[1-4]。全息光学器件采用全息光栅作为光信号反馈手段，现象明显、光信号采集表征清晰[5-6]。有机聚合物借助于其自身较低的成本、简单的制备方式、全息图像记录快速等显著优势，正成为全息光学器件的首选材料[7-8]。与此同时，全息传感器作为一种新颖的传感器件，近年来成为了热点研究领域[9-10]。全息传感原理是通过体光栅的收缩与膨胀实现的。伴随材料的宏观形变，光栅衍射光谱峰值位置发生显著偏移，从而标定导致光栅改变的主要因素，实现传感。当外部环境改变时，聚合物材料所具有的吸附膨胀能力使之更易于导致记录于内部的体光栅方式膨胀与收缩。随之而来的是体光栅条纹间距改变。当使用白光光源读取光栅时，衍射谱峰值将产生显著红移或蓝移。若记录全息图像，在传感过程中，图像色彩将发生明显的改变。因此，在廉价、可视化传感领域，全息传感器有着重要应用价值[11-12]。

最近人们通过聚合物凝胶光纤实现高拉伸，从而通过光在材料内部的传输长度差别实现光谱位移传感[13]。然而由于缺乏光栅的写入，该传感器失去了光栅特有的衍射光谱特征，凝胶光纤的显著缺点也同时体现出来。为此，开发新型高弹性聚合物基全息传感器，通过光栅衍射光谱在拉力作用下的峰值偏移表征微位移，实现传感器的研制与新型位移传感方式开发。

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、探索拉伸响应性能的主要材料[14-16]。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，因此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较高弹性，因此能够很好的对外部拉应力传感[17]。

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%(质量分数)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粘稠状为止。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分数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。详细的材料制备流程如图1所示。

图1 材料制备流程

全息拉力传感器的研制是基于全息体光栅开展的[17-20]。实验中我们采用倾斜透射式全息光栅记录装置记录体光栅，所用装置如图2所示。透射式光栅两束记录光以60°夹角交汇到样品内部，并通过光的干涉原理写入全息体光栅。为了增加传感装置的敏感性，光栅倾角均为10°，这样可以避免读出光的反射信号对探测信号的干扰。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接收与处理。为实现高弹性材料对拉力的传感响应，将材料两端用干板架固定，同时在沿着材料的长度方向施加拉力使其横向拉伸。

图2 透射式光圈记录装置

首先在材料内部记录透射式全息体光栅，并采用图2所示的实验光路实现全息光栅衍射光谱探测。然后对材料实加拉力实现长度方向的宏观形变。通过材料拉伸导致的横向位移与光栅衍射光谱间的定量关系实现形变传感表征。实验中考虑到环境温度与湿度的影响，采用恒温恒湿机来控制环境参数温度为25 ℃，湿度为30%。全息拉力传感器的传感原理如图3所示。聚合物材料拉伸的同时，记录于材料内部的全息体光栅的光栅间距发生显著增加。理论而言将产生显著衍射波长红移。相反，当材料发生收缩时，光栅间距减少，依据Bragg衍射条件，将产生波长蓝移。

图3 全息拉力传感器的传感原理

2 基于聚合物全息传感器拉应力响应

图4所示为材料在拉伸与收缩过程中的透射式光栅衍射光谱特征。其中图4(a)为峰值波长在双向移动过程中随位移的关系。图中可以看出，材料的拉伸过程，光栅衍射谱峰值位置产生现在红移。并且无论是聚合物材料的拉伸过程还是收缩过程，位移与峰值波长均符合典型的线性关系。通过线性拟合能够获得相应曲线的斜率。相关数据如图4(a)所示，二者的斜率非常接近，说明线性度较高。非常适合作为位移传感器使用。衍射光谱的三维曲线如图4(b)与图4(c)所示。可以看出在材料拉伸与收缩的过程中，衍射光谱的相对衍射强度较高，能够在较大的位移范围内保持较为均匀的衍射强度。这为全息拉力传感器的实用化提供了参考。

(a)峰值波长在双向移动过程中与位移的关系

(b)拉伸过程

(c)收缩过程图4 双向拉伸过程中的衍射光谱响应

为进一步证实全息拉力传感器的位移传感响应具备可逆性。在实验中测试了全息拉力传感的可逆恢复过程。图5描述了拉力往复过程中的衍射光谱响应。其中图5(a)为拉伸过程中，光栅衍射光谱的二维曲线。图5(b)为相应提取的峰值波长与位移间的关系。图5(c)为拉伸恢复过程中光栅衍射光谱的二维曲线，图5(d)仍为相应提取的峰值波长与位移间的关系。拉伸与收缩的位移范围超过3 mm。可以看出在拉伸与收缩过程中，传感器始终保持着高度的线性。在光谱仪自身的精度范围内(分辨率0.5 nm)，线性响应能够维持至少3 mm。同时二维光栅光谱轮廓同样具有高度的可逆性。其整体轮廓在往复过程中趋于一致。这说明该全息拉应力传感器非常适合表征聚合物材料微形变导致的线性位移。另外材料在拉伸过程中表现出衍射谱峰值波长红移，说明在此过程中材料的光栅间距增大是主要诱因。而平均折射率的改变并不是引起峰值波长移动的因素。

(a)拉伸过程的光栅衍射光谱的二维曲线

(b)拉伸过程的峰值波长与位移关系

(c)拉伸恢复过程的光栅衍射光谱的二维曲线

(d)拉伸恢复过程的峰值波长与位移关系图5 全息传感器拉伸过程的可逆性

(a)聚合物材料在不同拉伸长度情况下的吸收谱

(b)不同拉伸情况下峰值吸收与位移的关系图6 吸收谱在材料拉伸过程中的变化特征

为了证明全息传感器的位移传感响应与材料成分的空间分布直接相关，测试了材料在拉伸过程中吸收谱随位移的变化，结果如图6所示。其中图6(a)为聚合物材料在不同拉伸长度情况下的吸收谱，图6(b)为提取的峰值吸收与相应位移之间的关系。图中可以看出，峰值吸收与位移间为显著的线性关系。这与衍射谱峰值波长移动曲线所描述的关系相似。说明材料在拉力作用下的形变同时引起了材料内部写入的全息体光栅发生衍射性能改变。从图5的波长红移可以进一步说明，材料在拉伸过程中光栅间距显著增加，从而导致光衍射谱红移。吸收谱也同样说明，随着拉伸长度与位移的增加，材料厚度降低，吸收下降，导致成分浓度降低，空间分布更宽，从而光栅条纹间距增大，引起光谱红移。

3 结论

聚合物基全息传感器具有工艺简单、成本低廉、传感现象显著、响应性能优异等显著优势。与此同时，聚合物材料的形变与相应的位移表征对于分析智能凝胶材料的刺激响应特性有着重要应用价值。研制的基于高弹性聚合物材料的全息拉应力传感器能够实现聚合物材料微位移的光谱表征。实验结果显示位移与光栅衍射光谱符合很好的线性关系。峰值波长的红移也为探寻聚合物受到拉力后的形变微观机制提供参考。另外，多次反复拉伸实验也证实了材料的可逆性与可重复性。全息传感器有着直观的现象与较低的装置成本，将该装置的位移响应特性应用于演示教学将取得很好的教学效果。