Politechnika Warszawska
Politechnika Warszawska Uczelnia Badawcza

Naukowcy z PW rozwijają badania nad światłowodowymi układami fotonicznymi opartymi na ciekłych kryształach

Schemat uporządkowania molekularnego struktur kubicznych odpowiadających komórkom elementarnym faz błękitnych BP I i BP II.

Schemat uporządkowania molekularnego struktur kubicznych odpowiadających komórkom elementarnym faz błękitnych BP I i BP II.

Z punktu widzenia światłowodowej komunikacji optycznej, wymagany jest obecnie dalszy postęp w zakresie eliminowania pewnych wad badanych systemów fotonicznych, takich jak niewystarczająco szybkie czasy odpowiedzi na zewnętrzne pole elektryczne (dziesiątki milisekund) oraz konieczność stosowania wysokiego napięcia sterującego ze względu na dużą średnicę światłowodu fotonicznego (setki woltów). Naukowcy z PW pracują nad rozwiązaniem tego problemu. Ich projekt badawczy realizowany jest w ramach grantu badawczego FOTECH-2 finansowanego w ramach programy „Inicjatywa Doskonałości – Uczelnia Badawcza”, który realizowany jest na Politechnice Warszawskiej.

Od 2004 roku grupa naukowa profesora Tomasza Wolińskiego z Wydziału Fizyki PW jest pionierem w badaniach nowej klasy mikrostrukturalnych światłowodów fotonicznych wypełnionych ciekłymi kryształami (głównie w fazie nematycznej), tzw. ciekłokrystalicznych światłowodów fotonicznych (PLCFs). Choć koncepcja ta jest znana od prawie dwóch dekad, to wciąż posiada ogromny potencjał aplikacyjny ze względu na tworzenie niewielkich, zaawansowanych systemów fotonicznych zapewniających m.in. modulację elektrooptyczną, przełączanie czy też detekcję.

Obecnie badane są układy PLCF z chiralnymi ciekłymi kryształami w fazie błękitnej (BPLC) domieszkowanymi nanocząstkami złota lub monomerami. Dobór ciekłego kryształu z fazą błękitną jako wypełnienia do światłowodu fotonicznego wynika z uzyskania szeregu korzyści, m.in.: bardzo krótkie czasy przełączania w porównaniu do innych faz ciekłokrystalicznych (<1ms), odbicie Bragga dla długości fal z zakresu nadfioletu i światła widzialnego, optyczną izotropowość oraz niewrażliwość polaryzacyjną w skali makroskopowej. Przytoczone właściwości czynią ten materiał interesującym z punktu widzenia nie tylko wyświetlaczy ciekłokrystalicznych, ale także i w kontekście zastosowania do urządzeń fotonicznych nowej generacji.

- W ramach badań poprawiliśmy właściwości układów PLCF dzięki opracowanej mieszaninie ciekłokrystalicznej z fazą błękitną domieszkowanej sferycznymi nanocząstkami złota z odpowiednio modyfikowaną powierzchnią, która zapewnia wysoki stopień oddziaływania nanocząstek z matrycą ciekłokrystaliczną - wyjaśnia dr inż. Kamil Orzechowski z Wydziału Fizyki PW.

Efekt zewnętrznego pola elektrycznego przyłożonego do światłowodu fotonicznego wypełnionego ciekłym kryształem w fazie błękitnej: niedomieszkowanym (lewa strona) i domieszkowanym nanocząstkami złota o stężeniu 2% (prawa strona)

Efekt zewnętrznego pola elektrycznego przyłożonego do światłowodu fotonicznego wypełnionego ciekłym kryształem w fazie błękitnej: niedomieszkowanym (lewa strona) i domieszkowanym nanocząstkami złota o stężeniu 2% (prawa strona)

Wstępne badania przygotowanych układów fotonicznych wykazały uzyskanie większej stabilności temperaturowej i czułości na zewnętrzne pole elektryczne względem układów niedomieszkowanych – mówi dr inż. Orzechowski. – Ponadto, pokazaliśmy możliwość sterowania poziomem natężenia światła propagowanego w światłowodzie fotonicznym dla wybranych długości fal z zakresu widzialnego za pomocą zewnętrznego pola elektrycznego - kontynuuje.

Wpływ zewnętrznego pola elektrycznego na właściwości spektralne światłowodu fotonicznego wypełnionego ciekłym kryształem w fazie błękitnej
Wpływ zewnętrznego pola elektrycznego na właściwości spektralne światłowodu fotonicznego wypełnionego ciekłym kryształem w fazie błękitnej: niedomieszkowanym (wykres powyżej) i domieszkowanym nanocząstkami złota.

Wpływ zewnętrznego pola elektrycznego na właściwości spektralne światłowodu fotonicznego wypełnionego ciekłym kryształem w fazie błękitnej: niedomieszkowanym (wykres powyżej) i domieszkowanym nanocząstkami złota.

Uzyskane wyniki badań zostały zaprezentowane na międzynarodowej konferencji "19th Optics of Liquid Crystals Conference" w Okinawie (Japonia), która odbyła się online w dniach 26.09-1.10. Komisja konkursowa wyróżniła plakat zespołu dr inż. Kamila Orzechowskiego zatytułowany "Enhanced electric field tunability and thermal stability of photonic crystal fibers filled with gold nanoparticles-doped cubic blue phases liquid crystals" (OLC2021 Shimakutuba Award). Dyplom został przyznany przez komitet organizacyjny tej konferencji, którego członkowie należą do The Japanese Liquid Crystal Society.

Dyplom przyznany na konferencji OLC 2021 za plakat zatytułowany "Enhanced electric field tunability and thermal stability of photonic crystal fibers filled with gold nanoparticles-doped cubic blue phases liquid crystals".

Dyplom przyznany na konferencji OLC 2021 za plakat zatytułowany "Enhanced electric field tunability and thermal stability of photonic crystal fibers filled with gold nanoparticles-doped cubic blue phases liquid crystals".

W tym samym czasie The International Liquid Crystal Society wybrało zdjęcie chiralnego ciekłego kryształu w fazie błękitnej stabilizowanego polimerami jego autorstwa jako zdjęcie miesiąca października 2021.

Więcej informacji o docenionym zdjęciu i jego autorze można znaleźć na stronie Międzynarodowego Towarzystwa Ciekłokrystalicznego.

Grant badawczy FOTECH-2 jest realizowany przez Wydział Fizyki PW wspólnie z Wydziałem Nowych Technologii i Chemii WAT, Wydziałem Chemii UW i Wydziałem Elektroniki i Technik Informacyjnych PW. W ramach projektu badawczego naukowcy z Wydziału Fizyki nawiązali współpracę z Wydziałem Fotoniki National Sun Yat-Sen University w Kaohsiung na Tajwanie, którego wsparcie jest pomocne w analizie właściwości złożonych ciekłokrystalicznych struktur fotonicznych domieszkowanych nanocząstkami złota i monomerami.

 

Projekt "Samoorganizujące się struktury fotoniczne o zwiększonej efektywności przestrajania i stabilności temperaturowej na bazie chiralnych ciekłych kryształów w fazie błękitnej domieszkowanych nanocząstkami złota i monomerami" jest finansowany w ramach grantu badawczego Centrum Badawczego POB Technologie fotoniczne programu "Uczelnia Badawcza - Inicjatywa Doskonałości", który realizowany jest na Politechnice Warszawskiej.

Skład zespołu badawczego:

dr inż. Kamil Orzechowski,  dr inż. Olga Strzeżysz, dr hab. Wiktor Lewandowski, mgr Martyna Tupikowska, dr hab. inż. Piotr Lesiak, profesor uczelni, dr hab. inż. Tomasz Osuch

Artykuł autorstwa dra inż. Kamila Orzechowskiego