As tecnologias fotônicas que operam na faixa ultravioleta UV-C (100-280 nm) desempenham um papel importante em vários campos, desde microscopia de super-resolução até comunicações ópticas. À medida que estas tecnologias melhoram, espera-se que abram novos caminhos na ciência e na engenharia. Uma das propriedades mais valiosas da luz UV é a intensidade com que ela se espalha na atmosfera, tornando-a particularmente útil para comunicações além da linha de visão. Esta propriedade permite que os dados sejam transmitidos mesmo quando obstáculos bloqueiam o caminho direto entre o remetente e o destinatário. No entanto, apesar desta promessa, o progresso foi retardado pela falta de componentes práticos capazes de funcionar de forma fiável com luz UV-C.
Os pesquisadores agora abordaram essa questão em um estudo publicado em Luz: Ciência e Aplicações. O trabalho foi orientado pela Professora Amalia Patane (Universidade de Nottingham) e pelo Professor John WG Tisch (Imperial College London). Sua equipe desenvolveu uma nova plataforma que pode gerar e detectar pulsos de laser UV-C extremamente curtos.
O sistema combina uma fonte de laser UV-C ultrarrápida com detectores UV-C feitos de semicondutores atomicamente finos (2D) (2DSEM). Para criar pulsos de laser, os pesquisadores usaram processos não lineares de fase de segunda ordem. Esta abordagem depende da geração de segundos harmônicos em cascata em cristais não lineares, criando pulsos UV-C que duram apenas femtossegundos, menos de 1 trilionésimo de segundo.
Detecção de pulsos de femtossegundos à temperatura ambiente
Pulsos ultracurtos são detectados à temperatura ambiente usando fotodetectores baseados em 2DSEM de seleneto de gálio (GaSe) e sua camada de óxido de banda larga (Ga2O3). É importante ressaltar que todos os materiais utilizados no sistema são compatíveis com técnicas de fabricação escaláveis, tornando esta abordagem prática além do laboratório.
Para demonstrar as capacidades do sistema, os pesquisadores criaram uma configuração de comunicação no espaço livre. Nesta prova de conceito, a informação foi codificada em um laser UV-C por uma fonte transmissora e depois decodificada com sucesso por um sensor semicondutor 2D atuando como receptor.
Comportamento inesperado do sensor
O professor Patane, que liderou o desenvolvimento do sensor, explica o que faz com que os resultados se destaquem: “Este trabalho combina pela primeira vez a geração de pulsos de laser UV-C de femtossegundos com sua rápida detecção por semicondutores 2D. Inesperadamente, os novos sensores exibem resposta de fotocorrente linear e superlinear à energia de pulso, uma propriedade altamente desejável, estabelecendo as bases para a fotônica baseada em UV-C. em escalas de tempo de femtossegundos em uma ampla gama de energias de pulso e taxas de repetição.”
Ben Dewes, um estudante de doutorado em Nottingham, observa que esta área de pesquisa ainda está em sua infância: “A detecção de UV-C usando materiais 2D ainda está em sua infância. A capacidade de detectar pulsos ultracurtos e a combinação de geração e detecção de pulso no espaço livre ajuda a preparar o caminho para o desenvolvimento de componentes fotônicos de UV-C. “
Geração eficiente de laser e dimensionamento futuro
O professor Tisch, que liderou o trabalho na fonte de laser, enfatiza a importância da eficiência: “Usamos processos de correspondência de fase de segunda ordem em cristais ópticos não lineares para gerar com eficiência luz laser UV-C. A alta eficiência de conversão marca um marco significativo e fornece a base para maior otimização e dimensionamento do sistema em uma fonte compacta de UV-C. “
Tim Klee, estudante de doutorado na Imperial, acrescenta que a facilidade de uso e a disponibilidade serão críticas no futuro: “Uma fonte UV-C compacta, eficiente e simples beneficiará a comunidade científica e industrial mais ampla, estimulando novas pesquisas em fotônica UV-C.”
O que isso significa para a tecnologia do futuro
Juntas, a capacidade de gerar e detectar pulsos de laser UV de femtossegundos pode ter efeitos de longo alcance em muitas aplicações avançadas. As fortes características dos materiais 2D facilitam o desenvolvimento de plataformas integradas que combinam fontes de luz e detectores num único sistema. Tais plataformas podem ser particularmente úteis para comunicação em espaço livre entre sistemas autônomos e tecnologias robóticas.
Como esses componentes são compatíveis com a integração monolítica em circuitos integrados fotônicos, eles também podem permitir uma ampla gama de tecnologias futuras, incluindo imagens de banda larga e espectroscopia ultrarrápida operando em escalas de tempo de femtossegundos.
