Sensortechnologie, die een integraal onderdeel is van omgevingsmonitoring, data-acquisitie en nauwkeurige gegevensverwerking, evolueert snel. Onderzoekers lopen voorop bij de ontwikkeling van snelle, toegankelijke en kosteneffectieve sensoren. Onder deze innovaties zijn cholesterische vloeibare kristallen (CLC's) in stimulus-responsieve fotonische kristallen een uitzonderlijke belofte.

Hun unieke spiraalvormige structuur en fotonische eigenschappen maken de productie van levendige, krachtonafhankelijke structurele kleuren mogelijk, wat de weg vrijmaakt voor geavanceerde visuele analysehulpmiddelen. Een aanzienlijke uitdaging belemmert echter de bredere toepassing van CLC in optische detectie:hoewel ze zichtbaar van kleur veranderen als reactie op stimuli, vereist het nauwkeurig meten van deze veranderingen dure spectroscopische apparatuur, waardoor hun praktische inzet wordt beperkt.

Als reactie op de groeiende behoefte aan compacte en vlakke optische elementen hebben onderzoekers de geometrische fasen van Pancharatnam-Berry onderzocht, afgeleid van de spin-baaninteracties van licht. Recente ontwikkelingen zijn onder meer de integratie van de geometrische fase in gereflecteerd licht via CLC-helische bovenstructuren, wat leidt tot nieuwe fotonische toepassingen.

Bij vlakke CLC-optica verandert deze fasecodering het gereflecteerde lichtveld over verschillende golfbanden, waardoor duidelijke visuele patronen ontstaan. Deze methode overtreft traditionele PBG-golflengte-/frequentiedetectietechnieken. Bovendien is het gebruik van optische wervels (OV), die voor orbitaal hoekmomentum (OAM) zorgen, cruciaal geworden bij het onderzoeken van afstembare golflengte en OAM in vortexbundels (VB).

Om de visualisatie van detectiesignalen te verbeteren, heeft een team van onderzoekers van de Universiteit van Xiamen en de Universiteit van Nanjing in China een visueel detectieplatform met cholesterische fase vloeibaar kristalpolymeer (CLCP) ontwikkeld dat gebruik maakt van geometrische fasecodering.

Dit platform genereert op unieke wijze op afbeeldingen gebaseerde detectiesignalen via realtime visuele patronen en biedt een intuïtiever en leesbaarder alternatief voor conventionele op golflengte/frequentie gebaseerde methoden. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Light:Science &Applications .

Voor proof-of-concept demonstreerde het team vochtigheidsdetectie met behulp van speciaal vervaardigde CLCP-films, samengesteld uit reactieve vloeibare kristalmonomeren, foto-initiatoren en chirale middelen. Naarmate de luchtvochtigheid toeneemt, absorberen deze films water, zetten uit en ondergaan een verhoging van de toonhoogte, wat leidt tot de roodverschuiving van een reflecterende band. Dit bevestigt de hoge vochtigheidsgevoeligheid, het aanpasbare responsbereik en de uitstekende omkeerbaarheid van CLCP.

Het team voerde een diepgaande reflectiediffractieanalyse uit van op vocht reagerende CLCP-films, die coderen voor een enkele q-plaat, met behulp van een monitoringsysteem met één golflengte. Uit deze experimenten bleek dat CLCP-films veranderingen in de luchtvochtigheid effectief kunnen vertalen in visuele signalen. Deze bevinding onderstreept hun geschiktheid voor monitoringtoepassingen in realtime en over lange afstanden.

Om de mogelijkheden voor vochtigheidsmonitoring te verbreden en trends te detecteren, introduceerden de onderzoekers twee innovatieve benaderingen voor het bestuderen van de interactie tussen vochtigheid en het gereflecteerde licht van de geometrisch fase-gecodeerde CLCP-films (Fig. 3).

De eerste benadering breidde het monitoringbereik uit door een vierkwadrant q-plate-array op de CLCP-films op te nemen. Door elk kwadrant bij verschillende temperaturen met UV-straling uit te harden, werden verschillende vochtigheidsbereiken bereikt, die correleerden met variabele VB's.

De tweede benadering omvatte een systeem met dubbele golflengte, waardoor twee VB's met verschillende golflengten ontstonden. Deze VB's vormden een dynamisch "8"-patroon, bestaande uit twee "donut"-vormen, reagerend op veranderingen in de vochtigheid. Deze methoden zijn effectief gebleken bij het aanpakken van de beperkingen van CLCP-materialen, waardoor het monitoren van een breder vochtigheidsbereik en het detecteren van vochtigheidstrends mogelijk is.

Deze studie introduceert een nieuwe CLCP optische detectiemethode die gebruik maakt van geometrische fasecodering, gedemonstreerd door middel van q-plate-gecodeerde, op vocht reagerende films. Deze techniek maakt contactloze vochtigheidsdetectie op afstand mogelijk, waardoor VB's met duidelijke "donut"-patronen ontstaan. Het overtreft de traditionele detectie van vloeibare kristallen wat betreft nauwkeurigheid, kostenefficiëntie en commerciële levensvatbaarheid.

De aanpak is aanpasbaar aan verschillende straaltypen, waaronder Bessel- en Airy-stralen, en biedt mogelijkheden voor anti-jamming-mogelijkheden en aanpasbare visuele patronen. Deze techniek integreert machinaal leren voor beeldgebaseerde detectie en belooft aanzienlijke vooruitgang in de sensortechnologie.

Er wordt geanticipeerd op toekomstige integratie met glasvezeltechnologie, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor innovatieve milieumonitoring in communicatie- en energienetwerken.

Meer informatie: Shi-Long Li et al., Geometrische fasegecodeerde, op stimuli reagerende cholesterische vloeibare kristallen voor het visualiseren van realtime monitoring op afstand:vochtigheidsdetectie als proof of concept, Licht:wetenschap en toepassingen (2024). DOI:10.1038/s41377-023-01360-7

Journaalinformatie: Licht:wetenschap en toepassingen

Aangeboden door de Chinese Academie van Wetenschappen