يعطي مصدر الضوء متعدد الألوان دفعة قوية للطيف الانضغاطي

يعطي مصدر الضوء متعدد الألوان دفعة قوية للطيف الانضغاطي

الطابع الزمني: 6 مايو 2023 10:14 صباحًا

طيف الضوء
ألوان عديدة: الجهاز الجديد قادر على توليد ضوء بعدد من الأطوال الموجية المحددة. (مجاملة: iStock / koey)

كشف باحثون في الولايات المتحدة عن مجموعة أجهزة إلكترونية صلبة تنتج ضوءًا مُعدَّلاً زمنيًا بأطوال موجية قابلة للضبط. تشمل الاستخدامات المحتملة للجهاز التحليل الطيفي الضاغط ، والذي يسهل إجراؤه خارج المختبر أكثر من التحليل الطيفي التقليدي.

تقليديا ، تستخدم الأجهزة مثل أجهزة قياس الطيف الضوئي مصدر ضوء واحد واسع النطاق لإضاءة عينة قبل استخدام حواجز الانعراج أو غيرها من الأجهزة البصرية لقياس الضوء المنبعث أو الممتص كدالة لطول الموجة. يمكن تقليص هذا إلى النطاق المجهري باستخدام تقنيات مثل مرشحات النقاط الكمومية الغروية ، ولكنها تتطلب مصدر ضوء واسع النطاق مناسبًا. أيضًا ، هذه كاشفات سلبية ، مما يعني أنها تنتج إشارة قد يكون من الصعب فصلها عن الضوء المحيط.

النهج البديل ، الذي يغني عن الحاجة إلى قياس حساس للطيف ، هو تغيير الطول الموجي للضوء المنير.

فيفيان وانج من جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، يشرح المبدأ: "لنفترض أن لديك تفاحة أو شيء يبدو بلون معين لعينك: كيف يمكنك تمييز ذلك من الناحية الكمية؟ يمكنك تسليط الضوء على مصدر يحتوي على نطاق واسع جدًا من الأطوال الموجية على الكائن ثم قياس الأطوال الموجية العائدة للخارج باستخدام مقياس الطيف ، أو يمكنك تسليط ألوان مختلفة من الضوء على الكائن ثم قياس إجمالي الضوء المنعكس مرة أخرى على كاشف نقطة واحدة لكل من هذه الألوان ".

كشف القفل

تتمثل إحدى مزايا النهج الأخير في أنه يمكن تعديل الطول الموجي و / أو شدة الإشعاع الساقط بتردد متحكم فيه ، وبالتالي يسهل فصل الإشارة في الضوء المكتشف عن الضوضاء. يوضح وانغ: "عندما يكون لديك شيء ينبض بشكل جوهري ، يمكنك اكتشاف انبعاث الضوء باستخدام شيء يسمى اكتشاف القفل".

قد يكون تصنيع مصابيح LED متعددة على نفس الشريحة أمرًا صعبًا أو مستحيلًا ، مما سيحد من عدد الأطوال الموجية المختلفة التي يمكن تضمينها. ومع ذلك ، في عام 2020 ، قاد زملاء وانغ وجامعة كاليفورنيا في بيركلي علي جافي قد حقق اكتشافًا مفاجئًا.

يقول وانج: "كنا نلعب مع مواد ثنائية الأبعاد شبه موصلة ووجدنا أنه عندما وضعناها فوق المكثفات على رقائق السيليكون ، فإنها تصدر الضوء من خلال الإثارة الكهربائية". "وجدنا أنه يمكننا أيضًا الحصول على انبعاث مدفوع كهربائيًا من مواد أخرى باستخدام مكثفات تعمل بالنبضات ... السبب في نجاح هذا الأمر معقد حقًا وهو موصوف في بعض أوراقنا السابقة."

الآن ، اتخذ الفريق هذا الابتكار خطوة مهمة نحو تطبيق هندسي حقيقي. قاموا بتركيب شبكة من شبكات الأنابيب النانوية الكربونية الموصلة ، لكل منها مدخلاتها الحالية الخاصة ، فوق طبقة من ثاني أكسيد السيليكون ، والتي تم وضعها بدورها على طبقة من السيليكون المخدر. على شبكات الأنابيب النانوية الكربونية هذه ، قاموا بإيداع 49 مادة مختلفة للإضاءة الكهربائية ، تتراوح من النقاط الكمومية لسيلينيد الكادميوم إلى المواد الفعالة في المصابيح العضوية. عندما قاموا بتوصيل الشريحة بمصدر طاقة تيار متناوب ، يمكنهم إنتاج ضوء متعدد الألوان بأطوال موجية قابلة للضبط ، لأن شحن أي مكثف فردي قد يتسبب في إضاءة الباعث الموجود في الأعلى.

خوارزمية الكمبيوتر الضاغطة

يقول وانج: "إذا أردنا إنشاء مجموعات مختلفة من الضوء ، فيمكننا تشغيل مجموعات مختلفة من الأجهزة في نفس الوقت". استخدم الباحثون بعد ذلك خوارزمية حاسوبية مضغوطة لتقدير طيف الانعكاس الكامل بناءً على المعلومات المقدمة من انعكاسات كل نبضة.

بالإضافة إلى التحليل الطيفي ، يقول الباحثون إن للجهاز تطبيقات محتملة في مجالات أخرى مثل الفحص المجهري. يعمل الفريق الآن على جعل مصفوفتهم قابلة للتطبيق تجاريًا.

يقول وانج: "لقد أظهرنا بعض الاحتمالات المثيرة للاهتمام لهيكل الجهاز ، مثل عمل أمثلة جديدة للقياس الطيفي ، لكننا نحاول الآن تحسين أداء هذه الأجهزة - مثل السطوع والكفاءة والاستقرار".

المصفوفة موصوفة في ورقة في علم السلف.

"هذه ورقة ممتعة للغاية ومن المحتمل أن تكون مهمة للغاية" ، كما يقول زونغفو يو من جامعة ويسكونسن ماديسون ؛ "لقد حلوا بعض مشاكل الطريقة التقليدية [للاستشعار الطيفي] حيث تكون هناك حاجة إلى أداة ضخمة كمصدر ضوء قابل للضبط. اقترح يو وزميله في البداية فكرة الاستشعار عن الضغط في عام 2014: "لقد ولدت اهتمامًا هائلاً من الصناعة ، لكن لم تكن لدينا أي فكرة عن كيفية إدراك مصدر الضوء في ذلك الوقت" ، كما يقول ؛ "في وقت لاحق قمنا ببعض الأعمال باستخدام مصدر ضوء ثابت باستخدام المرشحات ، ولكن قبل أن أقرأ هذه الورقة بالأمس ، لم يكن لدي أي فكرة عن كيفية إدراك الناس لمصدر ضوء قابل للضبط مع نطاق طيفي متنوع للغاية."

الطابع الزمني:

اكثر من عالم الفيزياء