Новости

Nov 13, 2023

Анализ производительности солености на основе двух гексагональных

Научные отчеты, том 12,

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 22133 (2022) Цитировать эту статью

615 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Мы разработали уникальную конструкцию датчика жидкости на основе двумерных ПК с треугольной постоянной решетки по периодичности путем сверления шестиугольного цилиндра в диэлектрическом материале-основе. Используя мультифизический подход COMSOL, мы исследовали заданную структуру и характеристики измерения на основе метода конечных элементов. Мы оптимизируем двумерные гексагональные фотонные кристаллы для локализации области фотонной запрещенной зоны в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне частот, поскольку вода является хорошим поглотителем для этого диапазона частот. Затем мы наполняем центральный шестиугольный цилиндр соленой водой и рассчитываем параметры датчика для разных значений показателя преломления соленой воды на разных частотах, связанных с фотонной запрещенной зоной. Мы могли бы достичь оптимальных условий работы датчика солености, так как половина диагонали шестиугольной формы (R) = 500 нм, расстояние по перпендикуляру между двумя диагональными шестиугольными (D) = 250 нм и количество периодов (N) = 5. , что дает высокую эффективность с чувствительностью (S) = 525 нм/RIU, добротностью (FOM) = 80,7 RIU-1 и добротностью (Q) = 375. Исследовано влияние структурных характеристик на характеристики считывания с помощью предложены новые подходы к совершенствованию датчиков солености. Кроме того, традиционные датчики солености могут быть заменены предлагаемым методом в фотозондировании, который прост и практичен для использования в методах термического опреснения.

Фотонные кристаллы рассматривались как новые материальные структуры с периодически изменяющимися оптическими свойствами1,2,3,4,5. ПК в настоящее время являются важной технологией в методах фотоники6,7. Поскольку их оптические константы зависят от длины волны падения, они также считаются дисперсионной средой. ПК вызвали большой интерес из-за необычного взаимодействия с EMW8. Кроме того, ПК могут контролировать и регулировать передачу ЭМВ. Чтобы ЭМВ можно было сфокусировать на активной области в соответствии с требованиями приложения9. Фотонная запрещенная зона (PBG) является важным аспектом ПК, в котором электромагнитные моды не могут распространяться через структуру в этой области падающих длин волн. Таким образом, эти ФЗЗ имеют запрещенную зону для распространения фотонов, но, тем не менее, допускают наличие локализованных мод и ограниченных оптических волн10. Это свойство открывает большие возможности в управлении светом для решения проблемы рассеивания мощности в оптических приложениях. Следовательно, его также можно использовать в различных областях, таких как фотообнаружение11 и зондирование12. Кроме того, наблюдается рост преобразования солнечной энергии13,14,15 и опреснения воды с помощью ПК16.

Ученые и исследователи в последнее время сосредоточили свои усилия на изучении технологий опреснения воды. Следовательно, датчик солености очень важен для определения уровня солености образующейся пресной воды. Соленость (S), определяемая как количество соли в граммах, растворенной в 1 г соленой воды и выраженная в тысячных частях (PPT), указывает на количество соли в морской воде. Было замечено, что соленость открытого океана составляет от 34 до 37 PPT, что также можно выразить как от 34 до 37 практических единиц солености (PSU). При этом морская вода с S, равным 35, содержит примерно 35 г соли и 965 г воды, или 35 ppt (35 PSU). Следовательно, воду можно использовать для орошения и потребления человеком при \(S\le 0,5 \left(PPT\right)\)17. Взаимодействие ЭМВ и соленой воды является фундаментальным методом определения уровня солености, который используется на протяжении десятилетий18,19. Таким образом, ПК – взаимодействие ЭМВ с веществом – в последнее время широко используется при идентификации применений с жидкостями, поскольку они могут обеспечить высокую степень чувствительности к изменению показателя преломления. Кроме того, согласно формуле термооптического эффекта, ПК можно использовать в качестве датчиков температуры, поскольку показатель преломления меняется с температурой20. Следовательно, согласно ранее опубликованным исследованиям21,22,23, ПК можно использовать для определения показателя преломления жидкостей и газов. В результате использование компьютерной технологии представляет собой новый класс технологий опреснения, особенно при определении уровня солености24. Принцип работы датчика зависит от генерации дефектных мод в диапазонах ФЗЗ, которые возникают из-за изменений показателя преломления окружающей жидкости. Биологические аналиты также можно обнаружить с помощью двумерных ПК-сенсоров с микрополостями и теоретических соображений25.