Pesquisadores abordaram agora esse desafio em um estudo publicado na Light: Science & Applications. O trabalho foi liderado pela Professora Amalia Patané (Universidade de Nottingham) e pelo Professor John W. G. Tisch (Imperial College London). Sua equipe desenvolveu uma nova plataforma que pode tanto gerar quanto detectar pulsos laser UV-C extremamente curtos.

A modalidade combina uma fonte de laser UV-C ultrarrápida com detectores UV-C feitos de semiconductores bidimensionais (2DSEM) atomically finos. Para criar os pulsos laser, os pesquisadores utilizaram processos não lineares de segunda ordem em fase ajustada. Essa abordagem depende da geração de segunda harmônica cascata dentro de cristais não lineares, produzindo pulsos UV-C que duram apenas femtossegundos, menos de 1 trilionésimo de segundo.

Detectando Pulsos Femtossegundos à Temperatura Ambiente

Os pulsos ultracurtos são detectados à temperatura ambiente utilizando fotodetectores baseados no 2DSEM de seleneto de gálio (GaSe) e sua camada de óxido de banda larga (Ga2O3). Importante notar que todos os materiais usados no sistema são compatíveis com técnicas de fabricação escaláveis, tornando a abordagem prática além do laboratório.

Para demonstrar as capacidades do sistema, os pesquisadores construíram um setup de comunicação em espaço livre. Nesse conceito comprovado, as informações foram codificadas no laser UV-C pelo transmissor da fonte e, em seguida, decodificadas com sucesso pelo sensor de semicondutor 2D atuando como receptor.

Comportamento Inesperado do Sensor

A Professora Patané, que liderou o desenvolvimento do sensor, explica o que torna os resultados notáveis: “Este trabalho combina pela primeira vez a geração de pulsos de laser UV-C femtossegundos com sua rápida detecção por semiconductores 2D. Inesperadamente, os novos sensores apresentam uma resposta de fotocorrente linear a super-linear em relação à energia do pulso, uma propriedade altamente desejável, estabelecendo as bases para a fotônica baseada em UV-C operando em escalas 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 da radiação UV-C com materiais 2D ainda está em sua infância. A capacidade de detectar pulsos ultracurtos, bem como combinar a geração e a detecção de pulsos em espaço livre, ajuda a abrir caminho para o desenvolvimento adicional de componentes fotônicos UV-C.”

Geração Eficiente de Laser e Escalonamento Futuro

O Professor Tisch, que liderou o trabalho na fonte de laser, ressalta a importância da eficiência: “Exploramos processos não lineares de segunda ordem 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 mais otimização e escalonamento do sistema em uma fonte UV-C compacta.”

Tim Klee, um estudante de doutorado na Imperial, acrescenta que a facilidade de uso e acessibilidade serão críticas daqui para frente: “Uma fonte UV-C compacta, eficiente e simples beneficiará a comunidade científica e industrial mais ampla, estimulando mais pesquisas em fotônica UV-C.”

O Que Isso Significa para as Tecnologias Futuras

Juntas, a capacidade de gerar e detectar pulsos de laser UV-C femtossegundos pode ter efeitos de longo alcance em muitas aplicações avançadas. O forte desempenho de detecção dos materiais 2D apoia o desenvolvimento de plataformas integradas que combinam fontes de luz e detectores em um único sistema. Essas plataformas podem ser especialmente úteis para comunicação em espaço livre entre sistemas autônomos e tecnologias robóticas.

Como esses componentes são compatíveis com a integração monolítica em circuitos fotônicos integrados, eles também podem possibilitar uma ampla gama de tecnologias futuras, incluindo imagem de banda larga e espectroscopia ultrarrápida operando em escalas de femtossegundos.