Detecção óptica de cristal líquido com codificação de fase geométrica
Fig. 1. a, processo de fabricação de filmes CLCP responsivos à umidade com codificação geométrica de fase. b, Foto dos filmes curados a 65℃. A barra de escala é de 1 mm. Crédito:Shi-Long Li, Zhao-Yi Chen, Peng Chen, Wei Hu, Chaohong Huang, Sen-Sen Li, Xuejia Hu, Yan-Qing Lu e Lu-Jian Chen A tecnologia de detecção, essencial para o monitoramento ambiental, aquisição de dados e processamento preciso de dados, está evoluindo rapidamente. Os pesquisadores estão na vanguarda do desenvolvimento de sensores rápidos, acessíveis e econômicos. Entre essas inovações, os cristais líquidos colestéricos (CLCs) em cristais fotônicos responsivos a estímulos apresentam uma promessa excepcional.
Sua estrutura helicoidal exclusiva e propriedades fotônicas permitem a produção de cores estruturais vívidas e independentes de energia, abrindo caminho para ferramentas avançadas de análise visual. No entanto, um desafio significativo dificulta a aplicação mais ampla do CLC na detecção óptica:embora alterem visivelmente a cor em resposta a estímulos, a medição precisa destas alterações necessita de equipamento espectroscópico dispendioso, restringindo a sua implantação prática.
Respondendo à crescente necessidade de elementos ópticos compactos e planos, os pesquisadores investigaram as fases geométricas de Pancharatnam-Berry, derivadas das interações spin-órbita da luz. Desenvolvimentos recentes incluem a integração da fase geométrica na luz refletida através de superestruturas helicoidais CLC, levando a novas aplicações fotônicas.
Na óptica planar CLC, esta codificação de fase altera o campo de luz refletido em diferentes bandas de onda, criando padrões visuais distintos. Este método supera as técnicas tradicionais de detecção de comprimento de onda/frequência PBG. Além disso, o uso de vórtices ópticos (OV), que fornecem momento angular orbital (OAM), tornou-se fundamental na exploração de comprimento de onda sintonizável e OAM em feixes de vórtice (VB).
Para melhorar a visualização do sinal de detecção, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Xiamen e da Universidade de Nanjing, na China, desenvolveu uma plataforma de detecção visual de polímero de cristal líquido de fase colestérica (CLCP) utilizando codificação de fase geométrica.
Esta plataforma gera exclusivamente sinais de detecção baseados em imagens através de padrões visuais em tempo real, oferecendo uma alternativa mais intuitiva e legível aos métodos convencionais baseados em comprimento de onda/frequência. A pesquisa é publicada na revista Light:Science &Applications . Fig. 2. a, representação esquemática de uma única amostra de filme CLCP responsivo à umidade codificado em placa q. A ilustração mostra um padrão geométrico de fase da placa q com uma carga topológica q =+0,5 (esquerda) e micrografia das posições codificadas do filme CLCP responsivo à umidade curado a 65°C (direita). Setas duplas ortogonais indicam polarizadores cruzados. A barra de escala é 100 μm. b, diagrama esquemático do sistema de monitoramento de umidade de comprimento de onda único. Laser, laser He-Ne 632,8 nm, 15 mW/cm²; M, espelho; A, atenuador; QWP, quarto de onda; BS, divisor de feixe; CL, lente cilíndrica; CCD, dispositivo de carga acoplada. c, padrões de difração refletidos produzidos por um único filme CLCP responsivo à umidade codificado por placa q à medida que a UR aumenta de 10% para 95%. Crédito:Shi-Long Li, Zhao-Yi Chen, Peng Chen, Wei Hu, Chaohong Huang, Sen-Sen Li, Xuejia Hu, Yan-Qing Lu e Lu-Jian Chen Para prova de conceito, a equipe demonstrou a detecção de umidade usando filmes CLCP especialmente preparados, compostos de monômeros reativos de cristal líquido, fotoiniciadores e agentes quirais. À medida que a umidade aumenta, esses filmes absorvem água, expandem-se e sofrem um aumento de densidade, levando ao desvio para o vermelho da faixa reflexiva. Isso confirma a alta sensibilidade à umidade do CLCP, a faixa de resposta personalizável e a excelente reversibilidade.
A equipe conduziu uma análise aprofundada de difração de reflexão de filmes CLCP responsivos à umidade, que codificam uma única placa q, usando um sistema de monitoramento de comprimento de onda único. Esses experimentos revelaram que os filmes CLCP podem traduzir efetivamente mudanças na umidade ambiente em sinais visuais. Esta descoberta ressalta sua adequação para aplicações de monitoramento em tempo real e de longo alcance.
Para ampliar as capacidades de monitoramento de umidade e detectar tendências, os pesquisadores introduziram duas abordagens inovadoras para estudar a interação entre a umidade e a luz refletida dos filmes CLCP com codificação de fase geométrica (Fig. 3). Fig. 3. a, diagrama esquemático de uma amostra de filme CLCP responsiva à umidade codificada por um conjunto de placas q de quatro quadrantes (parte superior). fotografia do filme codificado com uma matriz de placas q de quatro quadrantes (parte inferior). b, padrões de difração refletidos de um filme CLCP codificado com uma placa q de quatro quadrantes, observados sob um sistema de monitoramento de umidade de comprimento de onda único em vários níveis de umidade relativa. c, Esquema do sistema de monitoramento de umidade de comprimento de onda duplo. Inserções:canto superior esquerdo, foto (barra de escala:1 mm) e micrografia (barra de escala:100 μm) do filme CLCP codificado em placa q única, curado a 60 ℃; canto inferior direito, distribuição de luz difratada. d, padrões de difração refletidos de um filme CLCP codificado com uma única placa q, observado sob um sistema de monitoramento de umidade de comprimento de onda duplo em vários níveis de umidade relativa. Crédito:Shi-Long Li, Zhao-Yi Chen, Peng Chen, Wei Hu, Chaohong Huang, Sen-Sen Li, Xuejia Hu, Yan-Qing Lu e Lu-Jian Chen A primeira abordagem ampliou o alcance de monitoramento incorporando um conjunto de placas q de quatro quadrantes nos filmes CLCP. Ao curar cada quadrante com UV em diferentes temperaturas, foram alcançadas faixas de umidade distintas, correlacionando-se com VBs variáveis.
A segunda abordagem envolveu um sistema de comprimento de onda duplo, criando dois VBs de comprimentos de onda diferentes. Esses VBs formaram um padrão dinâmico de "8", consistindo em dois formatos de "rosquinha", respondendo às mudanças de umidade. Estes métodos provaram ser eficazes na resolução das limitações dos materiais CLCP, permitindo a monitorização de uma gama mais ampla de humidade e a deteção de tendências de humidade.
Este estudo apresenta um novo método de detecção óptica CLCP usando codificação de fase geométrica, demonstrado através de filmes responsivos à umidade codificados em placa q. Esta técnica permite a detecção remota de umidade sem contato, criando VBs com padrões claros de "donut". Ele supera a detecção tradicional de cristal líquido em precisão, economia e viabilidade comercial.
A abordagem é adaptável a vários tipos de feixe, incluindo feixes Bessel e Airy, oferecendo potencial para recursos anti-jamming e padrões visuais personalizáveis. Integrando o aprendizado de máquina para detecção baseada em imagens, esta técnica promete avanços significativos na tecnologia de sensores.
A futura integração com a tecnologia de fibra óptica é antecipada, abrindo caminho para um monitoramento ambiental inovador em redes de comunicação e energia.
Mais informações: Shi-Long Li et al, Cristais líquidos colestéricos responsivos a estímulos com codificação de fase geométrica para visualização de monitoramento remoto em tempo real:detecção de umidade como prova de conceito, Luz:Ciência e Aplicações (2024). DOI:10.1038/s41377-023-01360-7 Informações do diário: Luz:Ciência e Aplicações
