Avkänningsteknik, integrerad i miljöövervakning, datainsamling och precisionsdatabehandling, utvecklas snabbt. Forskare ligger i framkant när det gäller att utveckla snabba, tillgängliga och kostnadseffektiva sensorer. Bland dessa innovationer uppvisar kolesteriska flytande kristaller (CLC) i stimuluskänsliga fotoniska kristaller exceptionellt lovande.
Deras unika spiralformade struktur och fotoniska egenskaper möjliggör produktion av livfulla, kraftoberoende strukturella färger, vilket banar väg för avancerade visuella analysverktyg. En betydande utmaning hindrar dock CLC:s bredare tillämpning inom optisk avkänning:Även om de synligt förändrar färgen som svar på stimuli, kräver noggrann mätning av dessa förändringar kostsam spektroskopisk utrustning, vilket begränsar deras praktiska användning.
Som svar på det växande behovet av kompakta och plana optiska element har forskare undersökt Pancharatnam-Berry geometriska faser, härledda från ljusets spin-omloppsinteraktioner. Den senaste utvecklingen inkluderar integrering av den geometriska fasen i reflekterat ljus via CLC spiralformade överbyggnader, vilket leder till nya fotoniska tillämpningar.
I CLC planar optik förändrar denna faskodning det reflekterade ljusfältet över olika vågband, vilket skapar distinkta visuella mönster. Denna metod överträffar traditionella PBG-våglängds-/frekvensavkänningstekniker. Dessutom har användningen av optiska virvlar (OV), som ger orbital vinkelmomentum (OAM), blivit avgörande för att utforska avstämbara våglängder och OAM i virvelstrålar (VB).
För att förbättra visualiseringen av avkänningssignaler utvecklade ett team av forskare från Xiamen University och Nanjing University i Kina en visuell avkänningsplattform för kolesterisk fas flytande kristallpolymer (CLCP) som använder geometrisk faskodning.
Denna plattform genererar unikt bildbaserade avkänningssignaler genom visuella mönster i realtid, och erbjuder ett mer intuitivt och läsbart alternativ till konventionella våglängds-/frekvensbaserade metoder. Forskningen är publicerad i tidskriften Light:Science &Applications .
Som proof-of-concept demonstrerade teamet fuktdetektering med hjälp av speciellt förberedda CLCP-filmer, sammansatta av reaktiva flytande kristallmonomerer, fotoinitiatorer och kirala medel. När luftfuktigheten ökar absorberar dessa filmer vatten, expanderar och genomgår en tonhöjd, vilket leder till att ett reflekterande bands rödförskjutning. Detta bekräftar CLCP:s höga luftfuktighetskänslighet, anpassningsbara svarsintervall och utmärkta reversibilitet.
Teamet genomförde en djupgående reflektionsdiffraktionsanalys av fuktkänsliga CLCP-filmer, som kodar en enda q-platta, med hjälp av ett övervakningssystem med en våglängd. Dessa experiment visade att CLCP-filmer effektivt kan översätta förändringar i omgivande luftfuktighet till visuella signaler. Detta fynd understryker deras lämplighet för övervakningstillämpningar i realtid och långa avstånd.
För att bredda fuktövervakningskapaciteten och upptäcka trender, introducerade forskarna två innovativa metoder för att studera interaktionen mellan fuktighet och de geometriskt faskodade CLCP-filmernas reflekterade ljus (Fig. 3).
Det första tillvägagångssättet utökade övervakningsområdet genom att införliva en fyrkvadrant q-plate-array på CLCP-filmerna. Genom UV-härdning av varje kvadrant vid olika temperaturer uppnåddes distinkta luftfuktighetsintervall, som korrelerade med varierande VBs.
Det andra tillvägagångssättet involverade ett system med dubbla våglängder, vilket skapar två VB med olika våglängder. Dessa VBs bildade ett dynamiskt "8"-mönster, bestående av två "munk"-former, känsliga för fuktighetsförändringar. Dessa metoder har visat sig effektiva för att hantera begränsningarna hos CLCP-material, vilket möjliggör övervakning av ett bredare luftfuktighetsområde och detektering av fukttrender.
Denna studie introducerar en ny CLCP optisk avkänningsmetod som använder geometrisk faskodning, demonstrerad genom q-plate-kodade fuktkänsliga filmer. Den här tekniken möjliggör fjärrkontroll av fuktighet utan kontakt, vilket skapar VB:er med tydliga "munk"-mönster. Den överträffar traditionell flytande kristallavkänning i noggrannhet, kostnadseffektivitet och kommersiell lönsamhet.
Tillvägagångssättet är anpassningsbart till olika stråltyper, inklusive Bessel- och Airy-strålar, vilket erbjuder potential för anti-jamming-kapacitet och anpassningsbara visuella mönster. Genom att integrera maskininlärning för bildbaserad avkänning, lovar denna teknik betydande framsteg inom sensorteknik.
Framtida integration med fiberoptisk teknik förväntas, vilket banar väg för innovativ miljöövervakning i kommunikations- och energinätverk.
Mer information: Shi-Long Li et al, Geometriska faskodade stimuli-känsliga kolesteriska flytande kristaller för visualisering av fjärrövervakning i realtid:fuktavkänning som ett bevis på konceptet, Light:Science &Applications (2024). DOI:10.1038/s41377-023-01360-7
Journalinformation: Ljus:Vetenskap och tillämpningar
Tillhandahålls av Chinese Academy of Sciences
