传感技术作为环境监测、数据采集和精密数据处理不可或缺的一部分，正在迅速发展。研究人员处于开发快速、易于使用且经济高效的传感器的前沿。在这些创新中，刺激响应光子晶体中的胆甾型液晶(CLC)展现出了非凡的前景。它们独特的螺旋结构和光子特性能够产生生动的、与功率无关的结构颜色，为先进的视觉分析工具铺平了道路。然而，一个重大挑战阻碍了 CLC 在光学传感领域的更广泛应用：尽管它们会根据刺激明显改变颜色，但准确测量这些变化需要昂贵的光谱设备，从而限制了它们的实际部署。
为了满足对紧凑型平面光学元件日益增长的需求，源自光自旋轨道相互作用的 Pancharatnam-Berry 几何相位取得了显着进展。最近的发展包括通过 CLC 螺旋上部结构将几何相位集成到反射光中，从而带来新颖的光子应用。在 CLC 平面光学器件中，这种相位编码会改变不同波段的反射光场，从而产生不同的视觉图案。该方法超越了传统的 PBG 波长/频率传感技术。此外，提供轨道角动量 (OAM) 的光学涡旋 (OV) 的使用已成为探索涡旋光束 (VB) 中可调谐波长和 OAM 的关键。
为了增强传感信号可视化，该团队利用几何相位编码开发了胆甾相液晶聚合物(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。为了进行概念验证，该团队使用专门制备的 CLCP 薄膜演示了湿度检测，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，这些薄膜会吸水、膨胀，节距也会增加，从而导致反射带发生红移。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 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。这一发现强调了它们对于实时和远程监控应用的适用性。
为了扩大湿度监测能力并检测趋势，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)。第一种方法通过将四象限 q 板阵列合并到 CLCP 薄膜上来扩展监测范围。通过在不同温度下对每个象限进行紫外线固化，可以获得不同的湿度范围，并与可变的 VB 相关。第二种方法涉及双波长系统，创建两个不同波长的VB。这些 VB 形成动态“8”图案，由两个“甜甜圈”形状组成，对湿度变化做出响应。事实证明，这些方法可以有效解决 CLCP 材料的局限性，从而能够监测更广泛的湿度范围并检测湿度趋势。
本研究介绍了一种使用几何相位编码的新型 CLCP 光学传感方法，并通过 q 板编码湿度响应薄膜进行了演示。该技术允许远程、非接触式湿度检测，创建具有清晰“甜甜圈”图案的 VB。它在准确性、成本效益和商业可行性方面超越了传统的液晶传感。该方法适用于各种光束类型，包括贝塞尔光束和艾里光束，提供抗干扰能力和可定制视觉模式的潜力。该技术将机器学习集成到基于图像的传感中，有望在传感器技术方面取得重大进步。预计未来将与光纤技术集成，为通信和能源网络中的创新环境监测铺平道路。
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