Menos de um trilionésimo de segundo: a luz UV ultrarrápida pode transformar as comunicações e a imagem
As tecnologias fotônicas que operam na faixa ultravioleta UV-C (100-280 nm) desempenham um papel importante em campos que vão 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 características mais valiosas da luz UV-C é a intensidade com que ela se espalha na atmosfera, o que a torna especialmente útil para comunicações fora 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 a luz UV-C.
Os investigadores abordaram agora este desafio num estudo publicado em Luz: Ciência e Aplicações. O trabalho foi liderado pela Professora Amalia Patané (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 (bidimensionais) (2DSEM). Para criar os pulsos de laser, os pesquisadores usaram processos não lineares de segunda ordem com correspondência de fase. Esta abordagem depende da geração de segundos harmônicos em cascata dentro de cristais não lineares, produzindo pulsos UV-C que duram apenas femtossegundos, menos de 1 trilionésimo de segundo.
Detecção de pulsos de femtosegundo em temperatura ambiente
Os pulsos ultracurtos são detectados à temperatura ambiente usando fotodetectores baseados no seleneto de gálio 2DSEM (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 escalonáveis, tornando a abordagem prática além do laboratório.
Para demonstrar as capacidades do sistema, os pesquisadores construíram uma configuração de comunicação em espaço livre. Nesta prova de conceito, a informação foi codificada no laser UV-C pelo transmissor-fonte e depois decodificada com sucesso pelo sensor semicondutor 2D atuando como receptor.
Comportamento inesperado do sensor
O professor Patané, que liderou o desenvolvimento do sensor, explica o que faz os resultados se destacarem: “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 uma resposta de fotocorrente linear a superlinear à energia de pulso, uma propriedade altamente desejável, estabelecendo as bases para a fotônica baseada em UV-C operando 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, destaca que esta área de pesquisa ainda está emergindo: “A detecção de radiação UV-C com materiais 2D ainda está em sua infância. A capacidade de detectar pulsos ultracurtos, bem como de combinar a geração e detecção de pulsos no espaço livre, ajuda a preparar o caminho para o desenvolvimento de componentes fotônicos UV-C. “
Geração eficiente de laser e escalonamento futuro
O professor Tisch, que liderou o trabalho na fonte de laser, destaca a importância da eficiência: “Exploramos processos de segunda ordem com correspondência de fase em cristais ópticos não lineares para a geração eficiente de luz laser UV-C. A alta eficiência de conversão marca um marco significativo e fornece uma 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 acessibilidade serão fundamentais no futuro: “Uma fonte UV-C compacta, eficiente e simples beneficiará a comunidade científica e industrial mais ampla, estimulando novas pesquisas sobre fotônica UV-C.”
O que isso significa para as tecnologias futuras
Juntas, a capacidade de gerar e detectar pulsos de laser UV-C de femtossegundos pode ter efeitos de longo alcance em muitas aplicações avançadas. O forte desempenho de detecção de materiais 2D apoia o desenvolvimento de plataformas integradas que combinam fontes de luz e detectores em um único sistema. Tais plataformas poderiam ser especialmente úteis para a 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.
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