- 2 次非線形光学プロセスを使用したフェムト秒 UV-C レーザーパルスの効率的な生成。
- GaSe/Ga₂O₃ などの 2D 半導体を使用して、室温で超短波 UV-C 放射を検出します。
- 完全に機能する UV-C 送信機と受信機を使用した自由空間通信リンクのデモンストレーション。
- 見通し外通信、高度な顕微鏡検査、次世代の集積光子回路の可能性。
紫外線といえば、日焼け用ランプや消毒用ランプを思い浮かべることが多いでしょう。しかし、 UV-Cバンド （100～280ナノメートル） 大気中では全く異なる挙動を示す空気中での拡散が非常に激しく、直線ではほとんど遠くまで飛びません。一見不利に見えるこの組み合わせですが、 道への扉を開く見通しのない光通信 信号が環境で反射して受信機に到達します。
実際には、違いは これは、ターゲットに直接向けた場合にのみ機能するレーザー ポインターから、家具や隅々までが詰まった部屋の全体を照らす電球に進化するようなものです。その「どこにでも浸透する光」こそが、この作品の面白さなのです。 UV-C ほこり、煙、都市構造、密集した植生などの複雑なシナリオや、 超解像顕微鏡 高速自由空間光リンク。これまでのところ、主な障害は 実用的な光源と検出器 この波長範囲で確実に動作することができます。
フェムト秒UV-Cレーザーパルスと超高速検出
このジャーナルに掲載された最近の研究 光：科学と応用 これは、単一のシステムに、 フェムト秒UV-Cレーザーパルスの生成と極めて短い応答時間での検出この研究の背後には、教授が率いる国際チームがいる。 アマリア・パタネノッティンガム大学教授 ジョン・WG・ティッシュインペリアル・カレッジ・ロンドンの教授で、それぞれ二次元半導体と超高速レーザー光源の専門家です。
技術的なアイデアは単純だが、実装するのは簡単ではない。 UV-Cライト ほんの数日間しか続かない フェムト秒 （1000兆秒）の周期でパルスを発射し、その直後に、極低温冷却システムや過酷な実験室環境を必要とせずに、その周期を追跡できる検出器で捕捉します。通信の観点から見ると、これらのパルスは、受信機が速度を維持している限り、非常に高速にデータをエンコードできる情報の「バースト」として機能します。
このような高速UV-Cレーザーを製造するための非線形光学
取得する UV-Cレーザー 効率的な処理は、通常、その波長でゼロから始めるのではなく、 非線形光学このアプローチでは、よりアクセスしやすい周波数の初期レーザー光源が取り出され、 非線形結晶 エネルギーの一部を高周波光に変換する。難しいのは、いわゆる 位相整合 または位相調整。結晶内部で生成された波が部分的に打ち消し合うのではなく、互いに強め合うために不可欠です。
この研究で説明されているセットアップでは、 カスケード型第二高調波発生 これらの結晶内では、ビームの周波数は、バンドに配置されるまで連続的に2倍になります。 UV-C超短パルス幅を維持しながら、低音のメロディーを音域を上げるエフェクトの連鎖に通すのと同じようなもので、各段が完璧に調整され、ノイズの発生やリズムの崩れを防いでいる。著者らによると、この非線形連鎖は 高い変換効率これは、大型の研究室設備から、よりコンパクトで簡単に統合できる UV-C 光源へと進化させたい場合の重要な要素となります。
ティッシュ教授の言葉を借りれば、 位相がよく調整された2次 これにより、システムのエネルギー効率が大幅に向上します。この効率化は、消費電力と電源の潜在的サイズを削減するだけでなく、さらなる開発のための技術基盤を構築します。 より手頃な価格で扱いやすいUV-Cレーザー 英国および他のヨーロッパ諸国における科学および産業用途向け。
UV-C光検出器としての2D GaSe/Ga₂O₃半導体
前払金の残り半分は、受取人である家族にあります。 UV-C光検出器 製造 二次元（2D）半導体主な材料は セレン化ガリウム（GaSe）対応する広帯域酸化物層と組み合わせることで、 ガ₂O₃わずか数原子層の厚さのこれらの材料は、深紫外線範囲の放射線を選択的に検出するのに非常に適した電子的および光学的特性を備えています。
実用化への飛躍に関連する側面は製造方法である。GaSe層とGa₂O₃層は次のように得られる。 分子束エピタキシー 2インチのサファイアウエハ上に。このタイプの基板と成長技術は、プロセスと一致している。 拡張可能で産業的に適合これは、先端フォトニクス実験でよく見られる職人技による低生産性の手法とは大きく異なります。半導体バリューチェーンの強化に明確なコミットメントを持つ欧州にとって、標準的なウエハ技術との互換性は特に重要です。
さらに、これらの検出器の応答は、 室温複雑な冷却システムを必要としません。フォトニクスやオプトエレクトロニクスの最先端の実証実験の多くでは、極低温での動作が商業化の大きな障害の一つとなっています。しかし、より「日常的な」環境で動作できる可能性は、より容易に想像できるのです。 コンパクトで堅牢なデバイス 現場での応用。
線形から超線形までの範囲の検出動作
単なる感度を超えて、この研究ではGaSe/Ga₂O₃センサーの応答の興味深い特徴について説明しています。 UV-C パルスによって生成される電流は、フラッシュのエネルギーに応じて線形から超線形領域に変化します。言い換えれば、特定の範囲では信号は入射光に比例して増加するのではなく、予想よりも速く増加し、強度の変化を増幅します。
このタイプの応答は、保存を可能にするため、実際のシナリオで役立ちます。 広範囲のパルスエネルギーにわたる感度それは、ささやき声でも大声でも、クリッピングや不足なくダイナミックレンジを維持する優れた性能を持つマイクを持つようなものです。パタネ教授はまさにこの特性を次のように指摘しています。 この検出器ファミリーが超高速フォトニクスプラットフォームの設計に特に魅力的な要素の1つであるUV-Cに基づくさまざまな繰り返し速度と動作条件に適応できます。
ノッティンガムチームでは、博士課程のベン・デュースが、 2D材料によるUV-C放射線検出 まだ初期段階ですが、これらのセンサーがフェムト秒パルスを追尾し、自由空間通信実験においてUV-C光源と統合的に動作できることを実証したことで、この分野は将来の開発に向けてより確固たる基盤を築くことができました。
UV-Cレーザーを用いた自由空間通信
材料の概念実証を超えるために、研究者たちは 自由空間光通信この構成では、UV-Cレーザー光源がパルスを変調することで情報をエンコードし、2D半導体ベースの光検出器が信号を受信してデコードします。伝送はすべて空気中で行われ、UV-C帯域の散乱特性を利用します。
これは実験室のテストベンチですが、このデモンストレーションでは、 送信者と受信者が連携して作業できます。 同じスペクトルプラットフォーム上で、フェムト秒単位の応答時間を実現しました。言い換えれば、彼らは超高速UV-C光の生成と検出に成功しただけでなく、この両方のプロセスを統合し、この独自の光言語で「話す」ことと「聞く」ことを可能にするシステムに統合することにも成功しました。この種の実験は、直接的な視線が常に保証されるわけではない、自律デバイス間の将来のネットワークにとって特に興味深いものです。
潜在的な用途：コネクテッドロボットから高度な計測機器まで
パルスを生成および検出する能力 UV-Cレーザー このような短い波長は、様々な技術面で可能性を広げます。通信分野では、この帯域の強い分散性から、以下のような用途が考えられます。 見通し外リンク 障害物の多い環境、複雑な内部、機械が密集した工場、地下インフラなどで稼働する産業用ロボット、自律走行車、ドローンの場合、光の反射を利用してデータ チャネルを維持する能力が、信頼性の面で大きな違いを生む可能性があります。
同時に、これらの材料と 光集積回路におけるモノリシック集積 これにより、光源と検出器がチップサイズに近づくシステムへの道が開かれます。この小型化は、科学用途（例えば、 超高速分光法 o ブロードバンド画像たとえば、迅速なプロセス監視、汚染物質の検出、非常に高い時間分解能での品質管理を必要とする産業分野などです。
基礎研究の分野では、 フェムト秒UV-Cパルス これにより、最近まで研究が困難だった時間スケールにおける極めて瞬間的な現象の調査が可能になります。先端材料における電子プロセス、生体分子の励起ダイナミクス、あるいは光化学反応などをより詳細に研究することができ、赤外線および可視スペクトルで既に確立されているツールを補完することが可能になります。
光学テーブルからデバイスへ：今後の課題
進歩は見られるものの、研究の著者ら自身も、この技術が市販製品に採用されるまでには解決すべき問題がいくつか残っていると指摘している。 システム全体の効率の最適化レーザー光源の小型化と検出器の改良による堅牢性と再現性の向上は、当面の課題です。高精度フォトニクスにおいては、熱安定性、光学アライメント、機械的許容誤差といった要素が、防振台上での繊細な実験と、標準的な機器に搭載可能なモジュールとの間の境界を決定づけます。
こうした未知数にもかかわらず、ノッティンガムとインペリアルのチームが取り組んだ作業は、明確なマイルストーンを示しています。 UV-C光は、その大気特性から、もはや単なる理論上の好奇心ではなく、超高速光子プラットフォームの中心的な存在になりつつあります。 en フェムト秒レーザー y 2D半導体次の開発段階でこれらの光源とセンサーをより小型かつ安価にすることに成功すれば、電磁スペクトルのこの極端な部分を活用する新世代の通信システム、科学機器、産業用ソリューションが期待できるでしょう。