Bocetos esquemáticos de la generación de UV a partir de (a) película de Si suave y (c) nanoestructurada. (b) Principio de nanoestructuración inducida por láser de película de Si. Crédito:Universidad ITMO
Investigadores rusos han desarrollado un nuevo material que convierte la luz infrarroja en pulsos ultracortos de ultravioleta. Para este propósito, los científicos expusieron la película de silicio a un láser para que su relieve se ajustara bajo la longitud de onda de la luz y hiciera resonantes las propiedades del material. El resultado fue una metasuperficie barata y fácil de hacer tan efectiva como las existentes. La nueva tecnología es aplicable en generadores UV compactos para biofotónica y medicina, y también dispositivos para procesamiento de datos ultradensos en comunicaciones ópticas. El estudio fue publicado en Nanoescala .
Los medios biológicos pueden reflejar, absorber, dispersar y reemitir ondas de luz. Cada uno de estos procesos contiene información sobre la micro y macroestructura de los medios, así como la forma y el movimiento de sus componentes. A este respecto, El ultravioleta profundo es una herramienta prometedora para la biología y la medicina. Su aplicación incluye diagnóstico láser y control de procesos rápidos en células, terapia láser y cirugía a nivel molecular.
Investigadores de la Universidad ITMO y la Universidad Académica de San Petersburgo han desarrollado un nuevo método para la fabricación de nanoestructuras, que puede convertir la luz infrarroja en ultravioleta profunda. La estructura es una película con una masa regular de nanolumps:metasuperficie. Se genera radiando una película de silicio, cuyo espesor es de 100 nanómetros, con pulsos láser ultracortos o de femtosegundos que forman su relieve. En la superficie de la película, el láser funde tales nanolumps, que resuenan solo con su longitud de onda y, por lo tanto, permiten que más radiación se convierta en ultravioleta. En otras palabras, el láser ajusta la metasuperficie a sí mismo. Cuando se forma el relieve, los científicos reducen la potencia para que la película comience a convertir la radiación sin deformarse.
Los investigadores han logrado no solo convertir la luz infrarroja en violeta, sino también para obtener ultravioleta profundo. Dicha radiación está fuertemente localizada, tiene una longitud de onda muy corta y se distribuye como pulsos de femtosegundos. "Por primera vez, Hemos creado una metasuperficie que emite de forma estable pulsos de femtosegundos de alta potencia en el rango ultravioleta, "señala Anton Tsypkin, asistente del Departamento de Fotónica y Tecnología de la Información Óptica de ITMO. "Esta luz se puede aplicar en biología y medicina, ya que los pulsos de femtosegundos afectan a los objetos biológicos con mayor precisión ".
Fotografía de fluorescencia inducida por luz ultravioleta generada en fluoróforo. Recuadro:vista de la muestra con una metasuperficie autoorganizada (área naranja). Crédito:Universidad ITMO
Por ejemplo, usando rayos ultravioleta profundos, los investigadores pueden obtener imágenes de una molécula durante su transformación química y comprender cómo manejarla. "Un femtosegundo en comparación con un segundo es casi como un segundo en comparación con la vida útil del universo. Es incluso más rápido que la vibración de los átomos en las moléculas. Así que pulsos tan cortos pueden decirnos mucho sobre la estructura de la materia en movimiento, "dice el primer autor Sergey Makarov, investigador asociado senior del Departamento de Nano-Fotónica y Metamateriales de ITMO.
La nueva tecnología también puede encontrar aplicaciones en las comunicaciones ópticas. "Utilizando pulsos láser ultracortos para la transmisión de datos, haremos el flujo más denso y mejoraremos su velocidad. Aumentará el rendimiento de los sistemas de transferencia y procesamiento de información. Adicionalmente, podemos integrar tales metasuperficies en un chip óptico para cambiar la frecuencia del haz. Esto ayudará a separar los flujos de datos y permitirá la computación importante al mismo tiempo, "comenta Anton Tsypkin.
La metasuperficie obtenida de esta manera es una estructura monolítica, en lugar de estar ensamblado de partículas aisladas, como era antes. Conduce mejor el calor y, por lo tanto, vive más tiempo sin sobrecalentarse.
En fotónica, los investigadores siempre tienen que buscar un compromiso. Los cristales no lineales estándar utilizados para la generación ultravioleta son grandes, pero puede convertir hasta el 20 por ciento de la radiación. Dicha eficiencia es mayor que la de las metasuperficies, pero los pulsos de láser se alargan en el interior de los cristales. "Esto sucede porque un rayo láser contiene muchas longitudes de onda que se diferencian entre sí solo por varias décadas de nanómetros. Tal variación es suficiente para hacer que algunas ondas superen a otras. Para hacer que los pulsos sean ultracortos nuevamente, se requieren dispositivos costosos adicionales, "explica Makarov.
Las estructuras delgadas como las metasuperficies no permiten que los pulsos de láser se desalineen, pero aún tienen una baja eficiencia. Es más, tanto las metasuperficies como los cristales suelen ser costosos y difíciles de fabricar. Sin embargo, en el nuevo estudio, los científicos han logrado hacer que la fabricación de metasuperficies sea mucho más fácil y económica, y al mismo tiempo, estas superficies son tan efectivas como sus costosas contrapartes.
