Фотонные технологии, работающие в ультрафиолетовом диапазоне UV-C, крайне важны для прогресса в сверхразрешающей микроскопии и оптической связи. Ключевое свойство UV-C-света — его сильное рассеяние в атмосфере, что позволяет осуществлять связь не в прямой видимости, передавая данные даже вокруг препятствий. Однако развитие этих технологий долгое время сдерживалось отсутствием практичных и надёжных компонентов, способных работать с UV-C излучением, что тормозило прогресс в этой области.
Исследователи из Ноттингемского университета и Имперского колледжа Лондона представили фундаментальное решение этой проблемы в новом исследовании, опубликованном в журнале Light: Science & Applications. Их команда успешно разработала новую платформу, способную как генерировать, так и обнаруживать экстремально короткие UV-C лазерные импульсы, что знаменует собой значительный шаг вперёд для всей отрасли.
Система остроумно объединяет ультрабыстрой UV-C лазерный источник с детекторами, созданными из атомарно тонких двумерных полупроводников. Для генерации лазерных импульсов учёные использовали фазово-согласованные нелинейные процессы второго порядка в специальных кристаллах. Этот метод, подобный генерации второй гармоники, когда два фотона складываются в один фотон с удвоенной частотой, критически важен для получения интенсивного излучения. Именно фазовая синхронизация световых волн в материале позволяет эффективно генерировать невероятно короткие UV-C импульсы длительностью всего в фемтосекунды — менее одной триллионной доли секунды, сохраняя их когерентность и энергию.
Эти сверхкороткие импульсы детектируются при комнатной температуре с помощью фотоприёмников на основе двумерного полупроводника — селенида галлия и его оксидного слоя с широкой запрещённой зоной. Выбор селенида галлия (GaSe) обусловлен его естественной чувствительностью к UV-C излучению благодаря высокой прямой ширине запрещённой зоны около 2,1 эВ. Как двумерный материал, он позволяет создавать ультратонкие, гибкие и эффективные детекторы с быстрым откликом и низким уровнем шума, превосходя по эффективности в этом диапазоне объёмные полупроводники, такие как кремний. Критически важным преимуществом является то, что все материалы в этой системе совместимы с масштабируемыми производственными технологиями. Эта совместимость делает весь подход практичным и многообещающим для применения далеко за пределами лаборатории.
Чтобы продемонстрировать практические возможности системы, исследователи построили установку для свободно-пространственной связи в качестве доказательства концепции. В этой демонстрации информация успешно кодировалась в UV-C лазер источником-передатчиком, а затем точно декодировалась двумерным полупроводниковым сенсором, выступавшим в роли приёмника, что подтвердило функциональность всей системы.
Учёные подчёркивают значимость работы: эффективная генерация света и линейный отклик новых датчиков закладывают основу для дальнейшей оптимизации и создания компактных UV-C источников, доступных для широкого научного и промышленного сообщества. Эта способность генерировать и детектировать фемтосекундные UV-C импульсы открывает путь для создания интегрированных платформ, объединяющих источники и детекторы в единые системы, что особенно полезно для связи между автономными роботами, а также для широкополосной визуализации и сверхбыстрой спектроскопии.
Источник: Less than a trillionth of a second: Ultrafast UV light could transform communications and imaging