Багатоколірні джерела світла для компресійної спектроскопії

Багатоколірні джерела світла для компресійної спектроскопії

Стиснене зондування (compressive sensing, також відоме як компресійне зондування, компресійна вибірка або розріджена вибірка) — це метод обробки сигналу для ефективного отримання та реконструкції сигналу шляхом пошуку рішень для недовизначених лінійних систем. Це засновано на принципі, згідно з яким за допомогою оптимізації розрідженість сигналу можна використати для його відновлення з набагато меншої кількості вибірок, ніж вимагається теоремою про вибірку Найквіста–Шеннона. [1] Іншими словами, компресійне зондування — це спосіб вимірювання, який стискає сигнал, отриманий під час вимірювання [2]. Стиснене зондування знаходить застосування в різних областях: магніторезонансній томографії, астрономії, електронній мікроскопії, спектроскопії тощо.

Одним зі способів реалізації компресійної спектроскопії є використання джерела світла не суцільного спектру, а багатоколірного. У нещодавній публікації в журналі Science Advances [3] дослідники зі США повідомляють про розробку компактного багатоколірного джерела світла, яке може бути використане для компресійної спектроскопії. Там продемонстровано багатоколірну світловипромінювальну матрицю з 49 різними кольорами з індивідуальною адресацією на одному чіпі. Матриця складається з конденсаторів на основі оксиду металу та напівпровідника з імпульсним керуванням, які генерують електролюмінесценцію з мікродиспергованих матеріалів, що охоплюють широкий діапазон кольорів і спектральних форм, що дозволяє генерувати довільні спектри світла в широкому діапазоні довжин хвиль (від 400 до 1400 нм). У поєднанні з алгоритмами компресійної реконструкції ці масиви можна використовувати для виконання спектроскопічних вимірювань у компактному вигляді без дифракційної оптики. Як приклад, продемонстровано мікромасштабне спектральне зображення зразків за допомогою мультиплексної електролюмінесцентної матриці в поєднанні з монохромною камерою.

Фізичний принцип дії цієї багатоколірної світловипромінювальної матриці базується на попередній роботі цієї ж групи авторів, опублікованій 2020 року в журналі Nature Electronics [4]. Там показано, що двоконтактний пристрій, який використовує масив вуглецевих нанотрубок як електрод, може збуджувати електролюмінесценцію в різних матеріалах незалежно від їхнього хімічного складу. Деформація енергетичних зон у перехідній області, створена прикладеною змінною напругою на затвор, використовується для інжекції заряду для будь-якого розташування енергетичних зон. У результаті пристрій може електролюмінесціювати в діапазоні від інфрачервоних (0,13 еВ) до ультрафіолетових (3,3 еВ) довжин хвиль залежно від випромінювального матеріалу, нанесеного на масив нанотрубок. Причому напруга початку світіння наближається до ширини забороненої зони випромінювального матеріалу. Показано, що такий пристрій можна використовувати для дослідження хімічної реакції в краплі рідини за допомогою електролюмінесцентної спектроскопії та як електролюмінесцентний датчик для виявлення органічних парів.

1. https://en.wikipedia.org/wiki/Compressed_sensing
2. Meenu Rani, S. B. Dhok, R. B. Deshmukh. A Systematic Review of Compressive Sensing: Concepts, Implementations and Applications. IEEE Access 2018, 6, 4875 — 4894 (https://ieeexplore.ieee.org/document/8260873)
3. Vivian Wang , Shiekh Zia Uddin, Junho Park, and Ali Javey. Highly multicolored light-emitting arrays for compressive spectroscopy. Science Advances 2023, 9(16). (https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg1607)
4. Yingbo Zhao, Vivian Wang, Der-Hsien Lien & Ali Javey. A generic electroluminescent device for emission from infrared to ultraviolet wavelengths. Nature Electronics 2020, 3, 612–621. (https://www.nature.com/articles/s41928-020-0459-z)