Russische onderzoekers hebben een nieuw materiaal ontwikkeld dat infrarood licht omzet in ultrakorte pulsen van ultraviolet. Voor dit doeleinde, de wetenschappers stelden siliciumfilm bloot aan een laser zodat het reliëf werd aangepast aan de lichtgolflengte en de eigenschappen van het materiaal resoneerden. Het resultaat was een goedkoop en gemakkelijk te maken meta-oppervlak dat even effectief was als bestaande. De nieuwe technologie is toepasbaar in compacte UV-generatoren voor biofotonica en geneeskunde, en ook apparaten voor ultradichte gegevensverwerking in optische communicatie. De studie is gepubliceerd in nanoschaal .

Biologische media kunnen reflecteren, absorberen, verstrooien en opnieuw uitzenden van lichtgolven. Elk van deze processen bevat informatie over de micro- en macrostructuur van de media, evenals vorm en beweging van zijn componenten. In dit verband, diep ultraviolet is een veelbelovend hulpmiddel voor biologie en geneeskunde. De toepassing ervan omvat laserdiagnostiek en controle van snelle processen in cellen, lasertherapie en chirurgie op moleculair niveau.

Onderzoekers van de ITMO University en de Academische Universiteit van Sint-Petersburg hebben een nieuwe methode ontwikkeld voor het fabriceren van nanostructuren, die in staat is om infrarood licht om te zetten in diep ultraviolet. De structuur is een film met een regelmatig massief van nanoklontjes - meta-oppervlak. Het wordt gegenereerd door het uitstralen van siliciumfilm, waarvan de dikte 100 nanometer is, met ultrakorte of femtoseconde laserpulsen die het reliëf vormen. Op het filmoppervlak, de laser smelt zulke nanoklontjes, die alleen resoneren met zijn golflengte en zo meer straling in ultraviolet laten omzetten. Met andere woorden, de laser past het meta-oppervlak aan zichzelf aan. Wanneer het reliëf is gevormd, de wetenschappers verminderen het vermogen zodat de film straling begint om te zetten zonder vervorming.

De onderzoekers zijn er niet alleen in geslaagd om infrarood licht om te zetten in violet, maar ook om diep ultraviolet te krijgen. Dergelijke straling is sterk gelokaliseerd, heeft een zeer korte golflengte en distribueert als femtoseconde pulsen. "Voor de eerste keer, we hebben een meta-oppervlak gecreëerd dat stabiel femtoseconde pulsen van hoog vermogen uitzendt in het ultraviolette bereik, " merkt Anton Tsypkin op, assistent van ITMO's Department of Photonics and Optical Information Technology. "Zulk licht kan worden toegepast in biologie en geneeskunde, omdat femtoseconde-pulsen biologische objecten nauwkeuriger beïnvloeden."

Bijvoorbeeld, met behulp van diepe UV, onderzoekers kunnen een molecuul tijdens zijn chemische transformatie in beeld brengen en begrijpen hoe het te beheren. "Een femtoseconde vergeleken met een seconde is bijna een seconde vergeleken met de levensduur van het universum. Het is zelfs sneller dan de vibratie van atomen in moleculen. Dus zulke korte pulsen kunnen ons veel vertellen over de materiestructuur in beweging, " zegt eerste auteur Sergey Makarov, senior research associate van ITMO's Department of Nano-Photonics and Metamaterials.

De nieuwe technologie kan ook toepassingen vinden in optische communicatie. "Met behulp van ultrakorte laserpulsen voor datatransmissie, we zullen de stroom dichter maken en de snelheid ervan verhogen. Het zal de prestaties van systemen voor het overdragen en verwerken van informatie verhogen. Aanvullend, we kunnen dergelijke meta-oppervlakken integreren in een optische chip om de straalfrequentie te veranderen. Dit zal helpen bij het scheiden van gegevensstromen en tegelijkertijd grootschalig computergebruik mogelijk maken, ", zegt Anton Tsypkin.

Het op deze manier verkregen meta-oppervlak is een monolithische structuur, in tegenstelling tot de samenstelling van geïsoleerde deeltjes, zoals het vroeger was. Het geleidt warmte beter en gaat dus langer mee zonder oververhitting.

Bij fotonica, onderzoekers moeten altijd zoeken naar compromissen. Standaard niet-lineaire kristallen die worden gebruikt voor het genereren van ultraviolet zijn groot, maar kan tot 20 procent van de straling omzetten. Een dergelijke efficiëntie is hoger dan die van meta-oppervlakken, maar laserpulsen verlengen de binnenkant van kristallen. "Dit gebeurt omdat een laserstraal veel golflengten bevat die slechts enkele tientallen nanometers van elkaar verschillen. Zo'n variatie is genoeg om sommige golven andere te laten overtreffen. Om pulsen weer ultrakort te maken, extra dure apparaten nodig zijn, " legt Makarov uit.

Dunne structuren zoals meta-oppervlakken zorgen ervoor dat laserpulsen niet verkeerd worden uitgelijnd, maar toch een laag rendement hebben. Verder, zowel meta-oppervlakken als kristallen zijn meestal duur en moeilijk te maken. Echter, in de nieuwe studie, de wetenschappers zijn erin geslaagd om de fabricage van meta-oppervlakken veel gemakkelijker en goedkoper te maken, en op hetzelfde moment, deze oppervlakken zijn net zo effectief als hun dure tegenhangers.