几何相位编码液晶光学传感

图1所示。a，具有几何相位编码的湿度响应CLCP薄膜的制备工艺。b、65℃固化膜照片。比例尺为1mm。致谢:李士龙、陈兆毅、陈鹏、胡伟、黄朝宏、李森森、胡雪佳、卢艳青、陈陆健

传感技术是环境监测、数据采集和精确数据处理的重要组成部分，正在迅速发展。研究人员正处于开发快速、易于使用和具有成本效益的传感器的前沿。在这些创新中，胆甾型液晶(CLCs)在刺激响应光子晶体中表现出非凡的前景。

它们独特的螺旋结构和光子特性使其能够产生生动的、不依赖于功率的结构颜色，为先进的视觉分析工具铺平了道路。然而，一个重大的挑战阻碍了CLC在光学传感中的广泛应用:尽管它们可以明显地改变颜色以响应刺激，但准确测量这些变化需要昂贵的光谱设备，限制了它们的实际部署。

为了响应对紧凑的平面光学元件日益增长的需求，研究人员研究了Pancharatnam-Berry几何相位，该相位来源于光的自旋轨道相互作用。最近的发展包括通过CLC螺旋超结构将几何相位集成到反射光中，从而导致新的光子应用。

在CLC平面光学中，这种相位编码改变了不同波段的反射光场，产生了不同的视觉图案。该方法超越了传统的PBG波长/频率传感技术。此外，利用提供轨道角动量(OAM)的光学涡旋(OV)在探索涡旋光束(VB)中的可调谐波长和OAM方面已经成为关键。

为了增强传感信号的可视化，厦门大学和南京大学的研究人员利用几何相位编码开发了一种胆甾相液晶聚合物(CLCP)视觉传感平台。

该平台通过实时视觉模式独特地生成基于图像的传感信号，为传统的基于波长/频率的方法提供了更直观和可读的替代方案。这项研究发表在《光:科学与应用》杂志上。

图2所示。a，单q板编码湿度响应CLCP膜样品的示意图。图中显示了拓扑电荷q = +0.5的q板的几何相位图(左图)，以及65℃固化下湿度响应CLCP膜编码位置的显微照片(右图)。正交双箭头表示交叉偏振光。标尺尺寸为100 μm。B、单波长湿度监测系统原理图。激光器，632.8 nm He-Ne激光器，15 mW/cm²;米,镜子;一、衰减器;QWP，四分之一波片;BS，分束器;CL，圆柱透镜;CCD，电荷耦合器件。c，当湿度从10%增加到95%时，单q板编码的CLCP膜产生的反射衍射图。致谢:李士龙、陈兆毅、陈鹏、胡伟、黄朝宏、李森森、胡雪佳、卢艳青、陈陆健

为了验证概念，该团队演示了使用特殊制备的CLCP薄膜进行湿度检测，该薄膜由反应性液晶单体、光引发剂和手性试剂组成。随着湿度的增加，这些薄膜吸收水分，膨胀，并经历间距的增加，导致反射带的红移。这证实了CLCP的高湿度灵敏度、可定制的响应范围和出色的可逆性。

该团队使用单波长监测系统对湿度响应的CLCP薄膜进行了深入的反射衍射分析，该薄膜编码单个q板。这些实验表明，CLCP薄膜可以有效地将环境湿度的变化转化为视觉信号。这个发现强调了它们在实时和远程监测应用中的适用性。

为了扩大湿度监测能力和检测趋势，研究人员引入了两种创新方法来研究湿度与几何相位编码CLCP薄膜反射光之间的相互作用(图3)。

图3所示。a、四象限q板阵列编码湿度响应CLCP薄膜样品示意图(上)。用四象限q板阵列编码的胶片照片(下)。b，用四象限q板编码的CLCP膜的反射衍射图，在单波长湿度监测系统下观察到不同的RH水平。c、双波长湿度监测系统原理图。插图:左上，60℃固化的单q板编码CLCP膜的照片(标尺:1mm)和显微照片(标尺:100 μm);右下，衍射光分布。d，在双波长湿度监测系统下，在不同RH水平下，用单q板编码的CLCP膜的反射衍射图。致谢:李士龙、陈兆毅、陈鹏、胡伟、黄朝宏、李森森、胡雪佳、卢艳青、陈陆健

第一种方法通过在CLCP薄膜上加入四象限q板阵列来扩大监测范围。通过在不同温度下对每个象限进行UV固化，可以获得不同的湿度范围，并与不同的VBs相关。

第二种方法涉及双波长系统，创建两个不同波长的VBs。这些VBs形成了一个动态的“8”图案，由两个“甜甜圈”形状组成，响应湿度变化。这些方法已被证明有效地解决了CLCP材料的局限性，使监测更广泛的湿度范围和检测湿度趋势成为可能。