緊湊型集成光源-傳感器平臺問世，開拓從成像到通信的廣泛應用

深紫外光被廣泛用于水、空氣和表面消毒。由于它與有機分子強烈的相互作用，能夠實現高對比度成像和對生物組織的精準定位，并被用于研究超快分子動力學、電離過程以及非線性光學效應——這些現象在更長波長下往往難以觸及。

盡管潛力巨大，但深紫外技術的應用仍因缺乏合適的光子元件而受到限制。盡管激光技術已取得顯著進展，深紫外激光器仍很稀缺。近期，諾丁漢大學和倫敦帝國理工學院的研究團隊展示了一種深紫外光源-傳感器平臺。該平臺集成了能在深紫外波段產生飛秒激光脈沖的非線性光學晶體，以及采用二維半導體構建的新型光電探測器。

一種可在飛秒時間尺度上生成和檢測超短波深紫外激光脈沖的新型平臺，有望為變革光無線通信系統、材料加工應用及醫學成像領域帶來全新機遇

研究團隊開發的用于飛秒時間尺度內 產生和探測深紫外激光脈沖的平臺，有望在材料加工和高對比度生物成像等領域實現應用。

該深紫外光源通過非線性晶體中的級聯二次諧波產生，利用相位匹配的二階非線性過程。這一過程產生了飛秒激光的四次諧波，生成能量高達約2μJ的深紫外脈沖。通過對晶體厚度的優化，實現了模塊化級聯四次諧波產生，其從近紅外到深紫外的轉換效率達到20%。

諾丁漢大學的John Tisch教授表示：“我們利用非線性光學晶體中的相位匹配二階過程，實現了對深紫外激光的高效產生。其高轉換效率標志著一個重要里程碑，并為系統進一步優化及小型化緊湊光源的開發奠定了基礎。”

通過基于硒化鎵（GaSe）和氧化鎵（Ga₂O₃）半導體制成的光電探測器，可在室溫環境下探測飛秒深紫外脈沖。這些材料的電子特性非常適合低功耗傳感器，并能提供快速的時間響應。

除了能探測深紫外飛秒脈沖外，這種二維半導體傳感器在不同脈沖能量和脈沖重復率下均表現出可靠的性能。迄今為止，傳統半導體或二維半導體材料尚未展示出這種能力。

負責傳感器開發的Amalia Patané教授指出：“這項研究首次將飛秒深紫外激光脈沖的產生與其通過新型二維半導體的快速探測相結合。正如許多應用所需，這些傳感器可在很寬的脈沖能量和重復率范圍內工作。”

作為概念驗證，研究人員利用飛秒深紫外脈沖演示了一種自由空間通信系統：飛秒激光源-發射器對信息進行編碼，再由二維傳感器-接收器完成解碼。

深紫外波段的光產生與探測能力對眾多應用，具有重要意義。例如，深紫外光的短波長特性使其能夠實現超分辨率顯微成像，達到納米級分辨水平；其對材料的強吸收性使其在材料加工領域（包括表面活化、清洗和光刻）具有應用價值。

深紫外光在光譜分析和環境監測中同樣作用顯著，可通過獨特的熒光與吸收特征實現對痕量物質的檢測與定量分析。除上述領域外，深紫外光強大的大氣散射特性為遮擋環境下的非視距通信系統數據傳輸開辟了新路徑。

硒化鎵與氧化鎵的傳感能力有望催生新型集成化光源-傳感器平臺，在機器間通信至關重要的應用場景中發揮作用。

研究人員Ben Dewes表示：“利用二維材料探測深紫外輻射仍處于起步階段。探測超短脈沖的能力，以及在自由空間中結合脈沖產生與探測的技術，將有助于為自主系統與機器人之間的通信鋪平道路。”

該光電探測器采用簡單的平面結構，適合在光子集成電路上與其他元件實現單片集成。用于產生飛秒深紫外脈沖的材料制造與加工工藝具備可擴展性和成本優勢。

憑借通過非線性光學過程高效產生深紫外激光的能力，該光源-傳感器平臺具有廣泛價值。研究人員Tim Klee指出：“緊湊、高效且簡單的深紫外光源將使更廣泛的科學界和工業界受益，并推動該領域的持續進步。”