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全息图微纳结构对环境的变化实现传感功能

2022-04-12

  全息图的布拉格衍射依赖于其微纳结构,因此可利用全息图微纳结构对环境的变化来实现传感功能。由于具有高的灵敏度和检测精度,全息传感近年来获得了快速发展。全息传感主要分为两类:反射式全息传感和透射式全息传感。反射式全息传感是利用反射光的波长变化来分析全息图的结构变化。例如,在水凝胶中制备反射式全息光栅,可用于检测无机盐含量。无机盐含量的改变导致水凝胶膨胀或收缩,致使全息光栅的周期增大或减小,从而使反射光发生红移或蓝移。哈佛大学Yetisen等在隐形眼镜上进行激光全息刻蚀,构建了对无机盐响应的全息传感器,并通过检测眼泪中无机盐的含量分析了眼疾的严重程度。除此之外,反射式全息图也可用于检测水中的乙醇含量。随着乙醇含量的增加,全息图的反射光颜色由绿色变为红色。透射式全息传感可利用固定角度下的衍射效率变化来实现传感。宾夕法尼亚州立大学Huang等制备了具有多孔结构的透射式全息光栅,并用作湿度传感器B1.当湿度从40%增加至95%时,全息光栅在475nm处的透射率由6%增加至47%,在702nm处的透射率则由4%增加至64%。此外,将分子印迹技术与全息技术结合,也可实现对特定化合物的定量检测。

  此外,全息传感器还可用于测量机械位移和应力,其测量精度与光栅周期相当,在工程领域具有广阔的应用前景。测量的基本原理是:将原始物光与物体发生形变后的物光叠加以产生干涉条纹,对干涉条纹进行分析即可获得物体的形变信息。法国国家科学研究中心Hÿtch等于2008年发明了全息云纹技术(holographic moiré technique),将传统云纹技术与离轴电子全息相结合,实现了纳米级分辨率的测量。首先按照相同取向放置两个晶体样品,其中A为具有已知晶体结构的参考样品,B为发生应变的样品。当采用两束相干电子束分别辐照两个样品时,电子束经过样品后发生衍射,再利用静电双棱镜(electrostatic biprism)将两束电子束汇聚,通过电子束相千产生干涉条纹。对干涉条纹进行相位分析,可得出两个样品的相位差,进而推导出样品B的应变值。

  文章内容引用自专业教材,以便高分子科学工程、光学工程等领域的科技工作者作研究参考,未经本书原作者的许可,任何第三方不得复制或者转载本文内容。