La generazione e rilevazione di impulsi laser UV-C femtosecondi è stata dimostrata in un’unica piattaforma integrata che combina conversione di frequenza non lineare e sensori bidimensionali a temperatura ambiente, superando limiti storici delle sorgenti e dei rivelatori UV-C. Il lavoro, guidato da Benjamin T. Dewes e dal suo team, integra una sorgente basata su laser Yb a 1024 nm, capace di generare il quarto armonico a 256 nm, con sensori 2D in GaSe e Ga2O3 in grado di rilevare impulsi su scala femtosecondi con risposta lineare e super-lineare.
Cosa leggere
La generazione di impulsi UV-C femtosecondi ad alta efficienza
Il cuore della piattaforma è una cascata di processi di secondo ordine che sfrutta cristalli ottici non lineari selezionati per l’ottimale phase matching nelle diverse regioni spettrali. Un laser a itterbio operante a 1024 nm, con frequenza di ripetizione di 60 kHz ed energia fondamentale di 11,8 microjoule, viene convertito prima al secondo armonico (512 nm) tramite un cristallo BiBO, quindi al quarto armonico (256 nm) mediante un cristallo BBO. L’ottimizzazione degli spessori cristallini, supportata da simulazioni numeriche, consente di limitare walk-off temporale, back-conversion e assorbimento a due fotoni, raggiungendo un’efficienza complessiva del 20%, significativamente superiore allo stato dell’arte.
b Traccia di autocorrelazione della fondamentale con FWHM di 334 fs, corrispondente a una durata dell’impulso di FWHM di 236 fs.
c Spettro fondamentale centrato a 1024 con FWHM di 4,3 nm.
d Traccia di cross-correlazione di FH con FWHM di 340 fs, corrispondente a una durata dell’impulso di 243 fs.
e Spettro FH centrato a 256 con FWHM di 0,52 nm.
f Misurazione della macchia focale FH nel piano del sensore che mostra un profilo di intensità quasi gaussiano con diametro di intensità 1/
e 2 di 890 μm
L’impulso UV-C risultante presenta una durata di 243 femtosecondi, misurata tramite cross-correlazione, un’energia fino a 2,38 microjoule e una larghezza spettrale FWHM di 0,52 nm. Il fascio viene focalizzato in uno spot gaussiano con diametro di circa 890 micrometri, mantenendo un’elevata qualità spaziale. L’architettura modulare rende il sistema compatto e potenzialmente portatile, aprendo alla scalabilità con laser compatti ad alte ripetizioni e basse energie per impulso.
Semiconduttori bidimensionali per la rilevazione UV-C
Sul fronte della rilevazione, la piattaforma introduce sensori a semiconduttori bidimensionali progettati per superare la lentezza e la scarsa sensibilità dei rivelatori UV-C convenzionali. Il GaSe, cresciuto per epitassia a fasci molecolari su zaffiro o su grafene/SiC, mostra un coefficiente di assorbimento superiore a 10^6 cm⁻¹ per lunghezze d’onda inferiori a 265 nm. Il suo bandgap, variabile tra 2,1 e 3,5 eV a seconda dello spessore, lo rende adatto alla regione VIS-UV, mentre l’ossidazione controllata post-crescita consente di ottenere Ga2O3 con bandgap di circa 4,5 eV, altamente selettivo per l’UV-C.
b Sinistra: Vista laterale e vista dall’alto del reticolo cristallino di GaSe. Destra: Immagine schematica e ottica del sensore GaSe/zaffiro con elettrodi in Au (spaziatura tra le dita di 50 μm e area di rilevamento
A = 1 mm²
) .
c Sinistra: Diagramma dello schema di misurazione utilizzato per il rilevamento degli impulsi fs UV-C da parte del sensore. Destra: Impulsi elettrici generati dal sensore in risposta a un treno di impulsi laser fs UV-C (256 nm) con energia
E = 32 nJ e frequenza di ripetizione
f rep = 3 kHz
I dispositivi sono realizzati in configurazione metallo-semiconduttore-metallo con contatti Schottky in oro, elettrodi interdigitati con spaziatura di 50 micrometri e area attiva di 1 mm². L’uso di maschere ombra preserva l’integrità dei materiali 2D durante la fabbricazione. Al buio, i sensori mostrano corrente oscura estremamente bassa, mentre sotto illuminazione UV-C generano una fotocorrente rapida e riproducibile, compatibile con la rilevazione di impulsi ultracorti.
Rilevazione di impulsi UV-C con sensori GaSe
I sensori in GaSe con spessore di 50 nm sono in grado di rispondere a singoli impulsi UV-C con comportamento lineare tra la carica fotogenerata Q e l’energia dell’impulso E. In condizioni di vuoto (10⁻⁶ mbar) o in aria, con bias di 10 V, la responsività R rimane costante, indicando una generazione efficiente di coppie elettrone-lacuna e una separazione rapida dei portatori nel campo elettrico applicato. La vita media dei portatori, inferiore a 1 nanosecondo, garantisce una risposta intrinsecamente veloce, con il limite temporale dominato dal circuito RC esterno.
2 O
3 (vista in piano) e del
sensore Au/Ga
2 O
3 /grafene/SiC (vista laterale) e sua eccitazione tramite impulsi laser.
aii Caratteristiche corrente-tensione del sensore al buio (nero) e sotto illuminazione UV-C continua (viola) da una lampada allo Xe (
P = 3,3 μW,
λ = 260 nm).
bi Risposta del sensore a un singolo impulso UV-C (256 nm) all’interno di un treno di impulsi a diverse energie
E e frequenza di ripetizione fissa (
f rep = 0,1 kHz) a
V = 2 V in aria.
bii Sinistra: Corrente integrata
Q rispetto a
E . La linea tratteggiata descrive una dipendenza superlineare di
Q da
E . Colori diversi corrispondono a esperimenti ripetuti. Destra: Responsività
R rispetto
a P . La linea tratteggiata è una guida per l’occhio. Risposta del
sensore a un singolo impulso UV-C (256 nm) all’interno di un treno di impulsi con diversa
f rep ed
E = 0,12 nJ in aria (
V = 2 V).
Sinistra :
Q rispetto
a f rep a
E = 0,12 nJ. Destra:
R rispetto a
P. Le linee tratteggiate sono guide per l’occhio
A energie elevate o ad alte frequenze di ripetizione, emergono effetti foto-termici che riducono temporaneamente il segnale per accumulo di calore non dissipato, mentre un’esposizione prolungata in aria può innescare ossidazione superficiale irreversibile con trasformazione Ga-Se in Ga-O. Questi aspetti delineano chiaramente il regime operativo ottimale per applicazioni ultraveloci.
Rilevazione UV-C super-lineare con sensori Ga2O3
I sensori in Ga2O3, ottenuti per ossidazione controllata di GaSe e integrati su grafene/SiC, mostrano un comportamento sorprendentemente super-lineare. Con spessori di circa 5 nm, questi dispositivi presentano un rapporto on/off elevato, corrente oscura minima e una fotocorrente che satura a bias elevati. La carica integrata Q cresce con l’energia dell’impulso secondo una legge Q ∝ E^1,3, mentre la responsività aumenta con l’energia e con la frequenza di ripetizione a parità di energia per impulso.
f rep = 60 kHz,
E = 0,1 nJ) vengono modulati utilizzando il segnale UART a 5 kHz. Il messaggio viene trasmesso nello spazio libero e ricevuto da un sensore Ga2O3
/
grafene / SiC
(a 3 m dalla sorgente in linea di vista). Il segnale viene registrato trasmettendo in streaming l’uscita di tensione al software di data logger su un DAC Moku:Go.
b Sinistra: Impulsi elettrici decodificati dal sensore. Destra: Singoli impulsi all’interno del treno di impulsi mostrato a sinistra.
L’origine di questa super-linearità non è attribuibile all’assorbimento a due fotoni, il cui coefficiente è troppo basso in questo regime, ma a effetti foto-termionici all’interfaccia e alla saturazione dei centri di ricombinazione, che estendono la vita dei portatori in un materiale a bandgap largo con bassa concentrazione di cariche libere. Questa proprietà, raramente osservata in rivelatori UV-C, risulta particolarmente desiderabile per la rilevazione di impulsi ultracorti.
Dimostrazione di comunicazione free-space UV-C
La piattaforma integrata è stata utilizzata per dimostrare un sistema di comunicazione ottica free-space UV-C completamente autonomo. Un generatore di forme d’onda arbitrarie codifica un messaggio in ASCII tramite protocollo UART, modulando un picker di impulsi su una sorgente a 60 kHz. Ogni bit è rappresentato da una sequenza di 12 impulsi UV-C con energia di 0,1 nJ, trasmessi su una distanza di 3 metri in linea di vista.
Il segnale viene ricevuto dal sensore Ga2O3, amplificato e digitalizzato. Una soglia distingue gli stati logici on/off, consentendo la ricostruzione del messaggio originale. Questa dimostrazione evidenzia il potenziale della tecnologia per comunicazioni macchina-macchina, robotica autonoma e scenari in cui l’UV-C offre vantaggi intrinseci, come bassa interferenza ambientale e forte scattering atmosferico.
Impatto e applicazioni della piattaforma UV-C femtosecondi
L’integrazione di sorgente e sensore in un’unica architettura rappresenta un salto qualitativo per la fotonica UV-C. Le applicazioni spaziano dalla microscopia a super-risoluzione e spettroscopia femtosecondi allo studio di dinamiche molecolari ultraveloci, dall’ionizzazione controllata alla sterilizzazione avanzata e al monitoraggio ambientale. Rispetto a laser excimer voluminosi e ad alta potenza, o a LED e diodi AlGaN limitati in coerenza e intensità, la conversione non lineare offre impulsi ultracorti, bassa divergenza e lunghezze d’onda selezionabili.
I materiali bidimensionali, grazie alla loro scalabilità e compatibilità con processi industriali, aprono inoltre alla integrazione monolitica su circuiti fotonici, alla tunabilità spettrale e allo sviluppo di dispositivi a basso costo e auto-alimentati. La piattaforma proposta supera quindi le limitazioni storiche di sorgenti e rivelatori UV-C, delineando una nuova generazione di tecnologie per scienza e industria.
Domande frequenti sui laser UV-C femtosecondi
Che cosa rende innovativa questa piattaforma UV-C femtosecondi?
La novità risiede nell’integrazione completa di generazione e rilevazione UV-C su scala femtosecondi, con efficienza del 20% e sensori a temperatura ambiente, superando i limiti di sorgenti excimer e rivelatori tradizionali.
Perché sono stati scelti GaSe e Ga2O3 come materiali sensori?
GaSe offre un forte assorbimento nel VIS-UV e una risposta lineare ultrarapida, mentre Ga2O3 garantisce selettività UV-C, bassa corrente oscura e una risposta super-lineare ideale per impulsi ultracorti.
Quali vantaggi offre l’UV-C nelle comunicazioni ottiche?
L’UV-C è meno soggetto a interferenze, ha forte scattering atmosferico e può supportare comunicazioni sicure a corto raggio, come dimostrato dalla trasmissione free-space su 3 metri.
Questa tecnologia è scalabile per applicazioni industriali?
Sì, l’uso di laser compatti, conversione non lineare modulare e materiali 2D scalabili rende la piattaforma compatibile con produzione industriale e integrazione in sistemi fotonici avanzati.
