Les dispositifs photoniques opérant dans la gamme de l’ultraviolet-C (UV-C, 100−280 nm) ont des applications variées, de la microscopie super-résolution aux communications optiques, et leurs avancées promettent d’ouvrir de nouvelles opportunités dans tous les domaines scientifiques et technologiques. En particulier, les propriétés de forte diffusion atmosphérique de l’UV-C ouvrent de nouvelles possibilités dans les systèmes de communication sans ligne de vue, permettant par exemple la transmission de données dans des environnements encombrés. Malgré son vaste potentiel, l’adoption généralisée de la technologie UV-C reste limitée par le manque de composants photoniques adaptés.
Dans un nouvel article publié dans Light: Science & Applications, une équipe de scientifiques dirigée par la professeure Amalia Patané (Université de Nottingham) et le professeur John W. G. Tisch (Imperial College London) a développé une nouvelle plateforme pour la génération et la détection d’impulsions laser UV-C ultracourtes. Le nouveau système intègre une source laser UV-C ultrarapide avec des capteurs UV-C basés sur des semiconducteurs atomiquement minces (bidimensionnels) (2DSEM).
La source exploite des processus non linéaires du second ordre en accord de phase via la génération de second harmonique en cascade dans des cristaux non linéaires pour produire des impulsions UV-C de durée femtoseconde, soit moins d’un billionième de seconde. Ces impulsions sont détectées à température ambiante par des photodétecteurs basés sur le sélénium de gallium (GaSe) en 2DSEM et sa couche d’oxyde à large bande interdite (Ga2O3). Tous les matériaux sont compatibles avec des procédés de fabrication évolutifs. À titre de preuve de concept, ils démontrent un système de communication en espace libre : un message est encodé par la source laser-émetteur et décodé par le capteur 2D-récepteur.
La professeure Patané, qui a dirigé le développement des capteurs, résume leurs découvertes : « Ce travail combine pour la première fois la génération d’impulsions laser UV-C femtosecondes avec leur détection rapide par des semiconducteurs 2D. De manière inattendue, les nouveaux capteurs présentent une réponse de photocurrent linéaire à super-linéaire à l’énergie des impulsions, une propriété très souhaitable, jetant les bases de la photonique UV-C opérant sur des échelles de temps femtosecondes pour une large gamme d’énergies d’impulsion et de taux de répétition. »
Ben Dewes, doctorant à Nottingham, note : « La détection du rayonnement UV-C avec des matériaux 2D en est encore à ses balbutiements. La capacité à détecter des impulsions ultracourtes, ainsi qu’à combiner la génération et la détection d’impulsions en espace libre, aide à ouvrir la voie au développement ultérieur des composants photoniques UV-C. »
Le professeur Tisch, qui a dirigé la recherche sur la source laser, ajoute : « Nous avons exploité des processus du second ordre en accord de phase dans des cristaux optiques non linéaires pour la génération efficace de lumière laser UV-C. La haute efficacité de conversion marque une étape importante et fournit une base pour l’optimisation et la mise à l’échelle du système en une source UV-C compacte. » Tim Klee, doctorant à Imperial, remarque : « Une source UV-C compacte, efficace et simple bénéficiera à la communauté scientifique et industrielle au sens large, stimulant la recherche sur la photonique UV-C. »
En résumé, la génération et la détection d’impulsions laser UV-C femtosecondes démontrées dans ce travail peuvent avoir un impact considérable sur de nombreuses applications innovantes. Les capacités de détection des matériaux 2D peuvent stimuler le développement de nouvelles plateformes intégrées source-capteur pour des applications spécifiques, telles que la communication en espace libre entre systèmes autonomes et robotiques. Ces systèmes sont également compatibles avec une intégration monolithique dans des circuits photoniques intégrés pour différentes technologies allant de l’imagerie à large bande à la spectroscopie sur des échelles de temps femtosecondes.
Journal : Light Science & Applications – DOI : Lien vers l’étude
Source : Light Publishing Center
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