Geometrisk fasekodet flydende krystal optisk sensing

Sensorteknologi, der er integreret i miljøovervågning, dataindsamling og præcisionsdatabehandling, udvikler sig hurtigt. Forskere er på forkant med at udvikle hurtige, tilgængelige og omkostningseffektive sensorer. Blandt disse innovationer udviser kolesteriske flydende krystaller (CLC'er) i stimulus-responsive fotoniske krystaller exceptionelt løfte.

Deres unikke spiralformede struktur og fotoniske egenskaber muliggør produktion af levende, kraftuafhængige strukturelle farver, hvilket baner vejen for avancerede visuelle analyseværktøjer. En væsentlig udfordring hindrer imidlertid CLC's bredere anvendelse inden for optisk registrering:Selvom de synligt ændrer farve som reaktion på stimuli, kræver nøjagtig måling af disse ændringer kostbart spektroskopisk udstyr, hvilket begrænser deres praktiske anvendelse.

Som svar på det voksende behov for kompakte og plane optiske elementer har forskere undersøgt Pancharatnam-Berry geometriske faser, afledt af lysets spin-kredsløbsinteraktioner. Den seneste udvikling omfatter integration af den geometriske fase i reflekteret lys via CLC-spiralformede overbygninger, hvilket fører til nye fotoniske applikationer.

I CLC planar optik ændrer denne fasekodning det reflekterede lysfelt på tværs af forskellige bølgebånd, hvilket skaber distinkte visuelle mønstre. Denne metode overgår traditionelle PBG-bølgelængde-/frekvensmålingsteknikker. Derudover er brugen af ​​optiske hvirvler (OV), som giver orbital vinkelmoment (OAM), blevet afgørende i udforskningen af ​​afstembare bølgelængder og OAM i hvirvelstråler (VB).

For at forbedre visualiseringen af ​​sensorsignaler udviklede et team af forskere fra Xiamen University og Nanjing University i Kina en visuel sensorplatform for kolesterisk fase med flydende krystalpolymer (CLCP), der anvender geometrisk fasekodning.

Denne platform genererer unikt billedbaserede sansesignaler gennem visuelle mønstre i realtid, og tilbyder et mere intuitivt og læsbart alternativ til konventionelle bølgelængde/frekvens-baserede metoder. Forskningen er publiceret i tidsskriftet Light:Science &Applications .

For proof-of-concept demonstrerede holdet fugtdetektion ved hjælp af specielt forberedte CLCP-film, sammensat af reaktive flydende krystalmonomerer, fotoinitiatorer og chirale midler. Efterhånden som fugtigheden stiger, absorberer disse film vand, udvider sig og gennemgår en tonehøjde, hvilket fører til et reflekterende bånds røde forskydning. Dette bekræfter CLCP's høje luftfugtighedsfølsomhed, tilpasselige responsområde og fremragende reversibilitet.

Holdet gennemførte en dybdegående reflektionsdiffraktionsanalyse af fugtighedsreagerende CLCP-film, som koder for en enkelt q-plade ved hjælp af et enkelt-bølgelængde overvågningssystem. Disse eksperimenter afslørede, at CLCP-film effektivt kan omsætte ændringer i den omgivende luftfugtighed til visuelle signaler. Denne konstatering understreger deres egnethed til overvågningsapplikationer i realtid og lang rækkevidde.

For at udvide fugtovervågningskapaciteten og detektere tendenser introducerede forskerne to innovative tilgange til at studere samspillet mellem fugtighed og de geometrisk fasekodede CLCP-films reflekterede lys (fig. 3).

Den første tilgang udvidede overvågningsområdet ved at inkorporere en fire-kvadrant q-plade-array på CLCP-filmene. Ved UV-hærdning af hver kvadrant ved forskellige temperaturer blev der opnået forskellige luftfugtighedsintervaller, der korrelerede med variable VB'er.

Den anden tilgang involverede et dobbeltbølgelængdesystem, der skaber to VB'er med forskellige bølgelængder. Disse VB'er dannede et dynamisk "8"-mønster, bestående af to "donut"-former, som reagerede på ændringer i fugtigheden. Disse metoder har vist sig effektive til at håndtere begrænsningerne ved CLCP-materialer, hvilket muliggør overvågning af et bredere luftfugtighedsområde og detektering af fugttendenser.

Denne undersøgelse introducerer en ny CLCP optisk sensing-metode ved hjælp af geometrisk fasekodning, demonstreret gennem q-plade-kodede fugt-responsive film. Denne teknik giver mulighed for fjerndetektion af berøringsfri fugtighed, hvilket skaber VB'er med klare "donut"-mønstre. Det overgår traditionel flydende krystalføling med hensyn til nøjagtighed, omkostningseffektivitet og kommerciel levedygtighed.

Tilgangen kan tilpasses til forskellige stråletyper, herunder Bessel- og Airy-stråler, hvilket giver potentiale for anti-jamming-funktioner og tilpassede visuelle mønstre. Ved at integrere maskinlæring til billedbaseret sansning lover denne teknik betydelige fremskridt inden for sensorteknologi.

Fremtidig integration med fiberoptisk teknologi forventes, hvilket baner vejen for innovativ miljøovervågning i kommunikations- og energinetværk.

Flere oplysninger: Shi-Long Li et al., Geometriske fasekodede stimuli-responsive kolesteriske flydende krystaller til visualisering af fjernovervågning i realtid:fugtregistrering som et bevis på konceptet, Light:Science &Applications (2024). DOI:10.1038/s41377-023-01360-7

Journaloplysninger: Lys:Videnskab og applikationer

Leveret af Chinese Academy of Sciences