Las tecnologías fotónicas que operan en el rango ultravioleta UV-C (100-280 nm) desempeñan un papel importante en campos que van desde la microscopía de superresolución hasta las comunicaciones ópticas. A medida que estas tecnologías mejoren, se espera que abran nuevas vías en la ciencia y la ingeniería. Una de las propiedades más valiosas de la luz UV-C es la fuerza con la que se dispersa en la atmósfera, lo que la hace particularmente útil para comunicaciones sin línea de visión. Esta característica permite que los datos se transmitan incluso cuando un obstáculo bloquea un camino directo entre el remitente y el receptor. Sin embargo, a pesar de esta promesa, el progreso se ha visto frenado por la falta de componentes prácticos capaces de trabajar de forma fiable con la luz UV-C.
Los investigadores han abordado este desafío en un estudio publicado ahora. Iluminación: ciencia y aplicaciones. El trabajo fue dirigido por la profesora Amalia Patane (Universidad de Nottingham) y el profesor John WG Tisch (Imperial College London). Su equipo desarrolló una nueva plataforma que puede generar y detectar pulsos de láser UV-C extremadamente cortos.
El sistema combina una fuente de láser UV-C ultrarrápida con un detector UV-C fabricado a partir de semiconductores atómicamente delgados (bidimensionales) (2DSEM). Para generar los pulsos láser, los investigadores utilizaron procesos no lineales de segundo orden de fase coincidente. Este método se basa en la generación de segundos armónicos en cascada en cristales no lineales, que producen pulsos de UV-C que duran sólo femtosegundos, menos de una billonésima de segundo.
Detección de pulsos de femtosegundos a temperatura ambiente
2DSEM detecta pulsos ultracortos a temperatura ambiente utilizando fotodetectores basados en seleniuro de galio (GaSe) y su capa de óxido de banda ancha (Ga2O3). Es importante destacar que todos los materiales utilizados en el sistema son compatibles con técnicas de fabricación escalables, lo que hace que el enfoque sea práctico más allá del laboratorio.
Para demostrar las capacidades del sistema, los investigadores construyeron una configuración de comunicación en el espacio libre. En esta prueba de concepto, la fuente-transmisor codificó la información en el láser UV-C y luego la decodificó con éxito el sensor semiconductor 2D que actúa como receptor.
Comportamiento inesperado del sensor
El profesor Patané, que dirigió el desarrollo del sensor, explicó lo que hace que los resultados destaquen: “Este trabajo combina por primera vez la generación de pulsos de láser UV-C de femtosegundo con su rápida detección mediante semiconductores 2D. Inesperadamente, los nuevos sensores exhiben una respuesta lineal a superlineal, luminiscencia altamente lineal y luminiscencia de alta energía. La base para la fotónica basada en UV-C que opera en una amplia gama de energías de pulso y tasas de repetición en el femtosegundo escala de tiempo.”
Ben Dewis, estudiante de doctorado en Nottingham, señala que esta área de investigación aún está emergiendo: “La detección de radiación UV-C con materiales 2D aún está en sus inicios. La capacidad de detectar pulsos ultracortos, así como combinar la generación y detección de pulsos en el espacio libre, ayuda a allanar el camino para un mayor desarrollo de los rayos UV”.
Generación láser eficiente y escalamiento futuro
El profesor Tisch, que dirigió el trabajo sobre la fuente láser, destacó la importancia de la eficiencia: “Hemos aprovechado procesos de segundo orden en cristales ópticos no lineales para la generación eficiente de luz láser UV-C. La alta eficiencia de conversión marca un hito importante y proporciona una base para sistemas más compactos de fuentes UV-C”.
Tim Klee, estudiante de doctorado en Imperial, añadió que la facilidad de uso y la accesibilidad serán claves en el futuro: “Una fuente UV-C compacta, eficiente y simple beneficiará a la comunidad científica e industrial en general, estimulando más investigaciones sobre la fotónica UV-C”.
Qué significa esto para la tecnología del futuro
En conjunto, la capacidad de generar y detectar pulsos de láser UV-C de femtosegundos podría tener implicaciones de gran alcance en muchas aplicaciones avanzadas. El sólido rendimiento de detección de los materiales 2D respalda el desarrollo de plataformas integradas que combinan fuentes de luz y detectores en un solo sistema. Estas plataformas pueden resultar particularmente útiles para la comunicación en espacio libre entre sistemas autónomos y tecnologías robóticas.
Debido a que estos componentes son compatibles con la integración monolítica en circuitos integrados fotónicos, también pueden permitir una amplia gama de tecnologías futuras, incluidas imágenes de banda ancha y espectroscopia ultrarrápida que operan en la escala de tiempo de femtosegundos.
