5 Minutės
Labai greita ultravioletinė šviesa žengė didelį žingsnį į priekį: mokslininkai parodė sistemą, galinčią tiek generuoti, tiek aptikti femtosekundines pulsus UV‑C juostoje, atveriančią naujas galimybes laisvos erdvės optiniam ryšiui, ultragreičiajai spektroskopijai ir kompaktiškiems fotonikos įrenginiams.
Femtosekundinė UV‑C fotonika
Schematiška konfigūracija femtosekundinių UV‑C lazerio pulsų generavimui ir aptikimui laisvoje erdvėje. Žinutė koduojama UV‑C lazerio šaltiniu–siųstuvu ir dekoduojama jutikliu–imtuvu. Jutiklis paremtas atominiu sluoksnių puslaidininku, auginamu molekuline spinduline epitetija ant 2 colių safyro plokštelės (įterptėje).
Kodėl UV‑C ir femtosekundiniai pulsai yra svarbūs
UV‑C spinduliuotė (100–280 nm) vertinama daugelyje mokslo ir pramonės sričių dėl stipraus atmosferinio sklaidos ir didelės fotonų energijos. Toks sklaidos pobūdis gali būti pranašumas: skirtingai nei infraraudonieji ar matomi spinduliai, UV‑C gali palaikyti ne tiesioginio regėjimo linijos (non‑line‑of‑sight) ryšį, kai informacija perduodama net esant kliūtims, blokuojančioms tiesioginį spindulį. Sutrumpinus šias UV‑C atakas iki femtosekundžių — vienos kvadrilijoninės (10^-15) sekundės dalies — žymiai padidėja laikinė raiška ir duomenų perdavimo potencialas.
Iki šiol pažangą ribojo praktiškos ir mastelio keičiamos aparatūros trūkumas. Efektyvus UV‑C generavimas yra sudėtingas, o ultratrumpų UV‑C pulsų aptikimas kambario temperatūroje dažnai reikalavo specializuotos įrangos. Naujoji platforma sujungia pažangą abiejose srityse: efektyvų kaskadinį nelinijinį konvertavimo šaltinį femtosekundiniams UV‑C pulsams ir kompaktiškus fotodetektorius, pagamintus iš atominiu sluoksnių (2D) puslaidininkių.
Kaip veikia naujoji sistema: šaltinis ir jutiklis
Femtosekundinių UV‑C pulsų generavimas
Lazerio šaltinis remiasi kaskadiniu antrinės harmonikos generavimu ir faziškai suderintais antros eilės nelinijiniais procesais nelinijiniuose kristaluose. Kruopščiai projektuodami nelinijines stadijas ir fazės suderinimo sąlygas, tyrėjai pasiekė aukštą konversijos efektyvumą ir sugeneravo UV‑C pulsus, trukdančius tik kelias femtosekundes. Aukštas konversijos efektyvumas yra svarbus: jis leidžia išlaikyti šaltinį kompaktišką ir sumažinti galios poreikius, todėl praktiški įrenginiai tampa lengviau įgyvendinami tiek laboratorijose, tiek lauko sąlygomis.
Ultratrumpų UV‑C blyksnių aptikimas su 2D puslaidininkiais
Aptikimo pusėje tyrėjai naudojo fotodetektorius, paremtus galio selenidu (GaSe), dengtu plačia juostos tarpo oksidu (Ga2O3). Šie atominiu sluoksnių medžiagos fragmentai — auginami molekuline spinduline epitaksija ant dviejų colių safyro plokštelių — veikia kambario temperatūroje ir rodo perspektyvią reakciją į femtosekundinius UV‑C pulsus. Reikšminga tai, kad foto srovės priklausomybė pereina nuo linijinės prie superlinijinės didėjant pulso energijai; toks elgesys daro detektorių universalesnį, leidžiantį aptikti plačią pulso energijų ir pasikartojimo dažnių skalę.
Demonstracija: laisvos erdvės ryšys veiksme
Norėdami patikrinti platformą, tyrėjai sukūrė laisvos erdvės ryšio liniją: informacija buvo užkoduota UV‑C femtosekundinių pulsų sekoje siųstuvu ir dekoduota 2D puslaidininkiais paremtu imtuvu. Eksperimentas vienu metu patvirtino dvi svarbias išvadas — kad šaltinis patikimai sukurs ultratrumpus UV‑C pulsus ir kad atominių sluoksnių jutikliai gali aptikti bei dekoduoti šiuos pulsus kambario temperatūroje. Tai praktiškas žingsnis link UV‑C fotonikos sistemų, galinčių veikti užterštose ar užstatytose aplinkose, kur tiesioginės matomumo linijos nuorodos yra neįmanomos.
Poveikis fotonikai, vaizdams ir ryšiui
Ši sujungta geba atveria kelias kryptis. Integruoti fotoniniai lustai, kurie monolitiškai sujungtų UV‑C šaltinius ir 2D detektorius, galėtų aptarnauti ultragreičiąją spektroskopiją, plataus spektro vaizdinimą ir saugų trumpo nuotolio ryšį tarp autonominių sistemų ar robotų, veikiančių viduje arba dūmuose ar kliūčių apsuptose aplinkose. Greiti UV‑C pulsų smūgiai taip pat leidžia laiko raiškos matavimus su femtosekundine precizika, pagerindami ultragreitų cheminių ir kietojo kūno dinamikos tyrimus.
Mastelio keitimas yra dar viena svarbi nauda: naudojamos medžiagos ir nelinijinių kristalų metodai yra suderinami su gamybos procesais, kuriuos galima sumažinti ir integruoti į kompaktiškus modulius. Tai svarbu tyrėjams ir pramonės grupėms, siekiančioms perkelti UV‑C fotoniką iš specializuotų laboratorijų į platesnes taikymo sritis.
Techninės išvados ir tyrimų kontekstas
- Nelininė optika: kaskadiniai antrinės harmonikos procesai ir kruopštus fazės suderinimas leidžia efektyviai generuoti UV‑C be per daug sudėtingų pumpuojančių lazerių.
- 2D puslaidininkių detektoriai: GaSe/Ga2O3 heterostruktūros demonstruoja jautrumą femtosekundiniams UV‑C pulsams kambario temperatūroje ir palankų foto srovės augimo priklausomumą nuo pulso energijos.
- Laisvos erdvės potencialas: stipri UV‑C atmosferinė sklaida yra dvilypė — sudėtinga ilgoms tiesioginio matomumo atkarpoms, bet privalumas ne tiesioginio regėjimo linijos ryšiui ir trumpo nuotolio, kliūtims atspariems ryšiams.
Eksperto nuomonė
Dr. Elena Márquez, optikos inžinierė, nedalyvavusi tyrime, komentuoja: "Tai laiku esanti pažanga. Efektyvaus UV‑C generavimo su kompaktiškais 2D detektoriais sujungimas užpildo dvi didžiausias aparatinės įrangos spragas šioje srityje. Jei našumas išliks stabilus realiomis sąlygomis — kintant temperatūrai, turint optinį triukšmą ir ilgesnes nuotolio linijas — galime sulaukti naujos femtosekundinių UV‑C modulių klasės laboratorinėje įrangoje ir robotų komunikacijoje."
Ateityje mokslininkai sutelks dėmesį į konversijos efektyvumo tobulinimą, šaltinių ir detektorių integraciją ant lustų bei patvarumo testavimą praktiškoje aplinkoje. Kai komponentai subręs, tikėtina pamatyti demonstracijas UV‑C fotoninių integruotų grandinių, femtosekundinių vaizdavimo sistemų ir naujų laisvos erdvės optinių protokolų, kurie išnaudos UV‑C sklaidą patikimam duomenų perdavimui sudėtingose aplinkose.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą