焦新瑩，王 蕊，王保華，劉鴻鵬

(中國民航大學理學院，天津 300300)

0 引言

全息光學器件與裝置在多種光通信相關領域有著重要應用，也一直是研究人員探索的重點課題[1-4]。全息光學器件采用全息光柵作為光信號反饋手段，現(xiàn)象明顯、光信號采集表征清晰[5-6]。有機聚合物借助于其自身較低的成本、簡單的制備方式、全息圖像記錄快速等顯著優(yōu)勢，正成為全息光學器件的首選材料[7-8]。與此同時，全息傳感器作為一種新穎的傳感器件，近年來成為了熱點研究領域[9-10]。全息傳感原理是通過體光柵的收縮與膨脹實現(xiàn)的。伴隨材料的宏觀形變，光柵衍射光譜峰值位置發(fā)生顯著偏移，從而標定導致光柵改變的主要因素，實現(xiàn)傳感。當外部環(huán)境改變時，聚合物材料所具有的吸附膨脹能力使之更易于導致記錄于內(nèi)部的體光柵方式膨脹與收縮。隨之而來的是體光柵條紋間距改變。當使用白光光源讀取光柵時，衍射譜峰值將產(chǎn)生顯著紅移或藍移。若記錄全息圖像，在傳感過程中，圖像色彩將發(fā)生明顯的改變。因此，在廉價、可視化傳感領域，全息傳感器有著重要應用價值[11-12]。

最近人們通過聚合物凝膠光纖實現(xiàn)高拉伸，從而通過光在材料內(nèi)部的傳輸長度差別實現(xiàn)光譜位移傳感[13]。然而由于缺乏光柵的寫入，該傳感器失去了光柵特有的衍射光譜特征，凝膠光纖的顯著缺點也同時體現(xiàn)出來。為此，開發(fā)新型高彈性聚合物基全息傳感器，通過光柵衍射光譜在拉力作用下的峰值偏移表征微位移，實現(xiàn)傳感器的研制與新型位移傳感方式開發(fā)。

1 材料與實驗裝置

丙烯酰胺聚合物系統(tǒng)是制備全息傳感器、探索拉伸響應性能的主要材料[14-16]。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(huán)境敏感能力，因此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(tǒng)由于其多種成分均具有較高彈性，因此能夠很好的對外部拉應力傳感[17]。

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(zhì)量分數(shù))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色透明粘稠狀為止。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(zhì)量分數(shù)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?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實驗測試。詳細的材料制備流程如圖1所示。

圖1 材料制備流程

全息拉力傳感器的研制是基于全息體光柵開展的[17-20]。實驗中我們采用傾斜透射式全息光柵記錄裝置記錄體光柵，所用裝置如圖2所示。透射式光柵兩束記錄光以60°夾角交匯到樣品內(nèi)部，并通過光的干涉原理寫入全息體光柵。為了增加傳感裝置的敏感性，光柵傾角均為10°，這樣可以避免讀出光的反射信號對探測信號的干擾。超連續(xù)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接收與處理。為實現(xiàn)高彈性材料對拉力的傳感響應，將材料兩端用干板架固定，同時在沿著材料的長度方向施加拉力使其橫向拉伸。

圖2 透射式光圈記錄裝置

首先在材料內(nèi)部記錄透射式全息體光柵，并采用圖2所示的實驗光路實現(xiàn)全息光柵衍射光譜探測。然后對材料實加拉力實現(xiàn)長度方向的宏觀形變。通過材料拉伸導致的橫向位移與光柵衍射光譜間的定量關系實現(xiàn)形變傳感表征。實驗中考慮到環(huán)境溫度與濕度的影響，采用恒溫恒濕機來控制環(huán)境參數(shù)溫度為25 ℃，濕度為30%。全息拉力傳感器的傳感原理如圖3所示。聚合物材料拉伸的同時，記錄于材料內(nèi)部的全息體光柵的光柵間距發(fā)生顯著增加。理論而言將產(chǎn)生顯著衍射波長紅移。相反，當材料發(fā)生收縮時，光柵間距減少，依據(jù)Bragg衍射條件，將產(chǎn)生波長藍移。

圖3 全息拉力傳感器的傳感原理

2 基于聚合物全息傳感器拉應力響應

圖4所示為材料在拉伸與收縮過程中的透射式光柵衍射光譜特征。其中圖4(a)為峰值波長在雙向移動過程中隨位移的關系。圖中可以看出，材料的拉伸過程，光柵衍射譜峰值位置產(chǎn)生現(xiàn)在紅移。并且無論是聚合物材料的拉伸過程還是收縮過程，位移與峰值波長均符合典型的線性關系。通過線性擬合能夠獲得相應曲線的斜率。相關數(shù)據(jù)如圖4(a)所示，二者的斜率非常接近，說明線性度較高。非常適合作為位移傳感器使用。衍射光譜的三維曲線如圖4(b)與圖4(c)所示。可以看出在材料拉伸與收縮的過程中，衍射光譜的相對衍射強度較高，能夠在較大的位移范圍內(nèi)保持較為均勻的衍射強度。這為全息拉力傳感器的實用化提供了參考。

(a)峰值波長在雙向移動過程中與位移的關系

(b)拉伸過程

(c)收縮過程圖4 雙向拉伸過程中的衍射光譜響應

為進一步證實全息拉力傳感器的位移傳感響應具備可逆性。在實驗中測試了全息拉力傳感的可逆恢復過程。圖5描述了拉力往復過程中的衍射光譜響應。其中圖5(a)為拉伸過程中，光柵衍射光譜的二維曲線。圖5(b)為相應提取的峰值波長與位移間的關系。圖5(c)為拉伸恢復過程中光柵衍射光譜的二維曲線，圖5(d)仍為相應提取的峰值波長與位移間的關系。拉伸與收縮的位移范圍超過3 mm?？梢钥闯鲈诶炫c收縮過程中，傳感器始終保持著高度的線性。在光譜儀自身的精度范圍內(nèi)(分辨率0.5 nm)，線性響應能夠維持至少3 mm。同時二維光柵光譜輪廓同樣具有高度的可逆性。其整體輪廓在往復過程中趨于一致。這說明該全息拉應力傳感器非常適合表征聚合物材料微形變導致的線性位移。另外材料在拉伸過程中表現(xiàn)出衍射譜峰值波長紅移，說明在此過程中材料的光柵間距增大是主要誘因。而平均折射率的改變并不是引起峰值波長移動的因素。

(a)拉伸過程的光柵衍射光譜的二維曲線

(b)拉伸過程的峰值波長與位移關系

(c)拉伸恢復過程的光柵衍射光譜的二維曲線

(d)拉伸恢復過程的峰值波長與位移關系圖5 全息傳感器拉伸過程的可逆性

(a)聚合物材料在不同拉伸長度情況下的吸收譜

(b)不同拉伸情況下峰值吸收與位移的關系圖6 吸收譜在材料拉伸過程中的變化特征

為了證明全息傳感器的位移傳感響應與材料成分的空間分布直接相關，測試了材料在拉伸過程中吸收譜隨位移的變化，結果如圖6所示。其中圖6(a)為聚合物材料在不同拉伸長度情況下的吸收譜，圖6(b)為提取的峰值吸收與相應位移之間的關系。圖中可以看出，峰值吸收與位移間為顯著的線性關系。這與衍射譜峰值波長移動曲線所描述的關系相似。說明材料在拉力作用下的形變同時引起了材料內(nèi)部寫入的全息體光柵發(fā)生衍射性能改變。從圖5的波長紅移可以進一步說明，材料在拉伸過程中光柵間距顯著增加，從而導致光衍射譜紅移。吸收譜也同樣說明，隨著拉伸長度與位移的增加，材料厚度降低，吸收下降，導致成分濃度降低，空間分布更寬，從而光柵條紋間距增大，引起光譜紅移。

3 結論

聚合物基全息傳感器具有工藝簡單、成本低廉、傳感現(xiàn)象顯著、響應性能優(yōu)異等顯著優(yōu)勢。與此同時，聚合物材料的形變與相應的位移表征對于分析智能凝膠材料的刺激響應特性有著重要應用價值。研制的基于高彈性聚合物材料的全息拉應力傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)聚合物材料微位移的光譜表征。實驗結果顯示位移與光柵衍射光譜符合很好的線性關系。峰值波長的紅移也為探尋聚合物受到拉力后的形變微觀機制提供參考。另外，多次反復拉伸實驗也證實了材料的可逆性與可重復性。全息傳感器有著直觀的現(xiàn)象與較低的裝置成本，將該裝置的位移響應特性應用于演示教學將取得很好的教學效果。