紧凑型集成光源-传感器平台问世，开拓从成像到通信的广泛应用

深紫外光被广泛用于水、空气和表面消毒。由于它与有机分子强烈的相互作用，能够实现高对比度成像和对生物组织的精准定位，并被用于研究超快分子动力学、电离过程以及非线性光学效应——这些现象在更长波长下往往难以触及。

尽管潜力巨大，但深紫外技术的应用仍因缺乏合适的光子元件而受到限制。尽管激光技术已取得显著进展，深紫外激光器仍很稀缺。近期，诺丁汉大学和伦敦帝国理工学院的研究团队展示了一种深紫外光源-传感器平台。该平台集成了能在深紫外波段产生飞秒激光脉冲的非线性光学晶体，以及采用二维半导体构建的新型光电探测器。

一种可在飞秒时间尺度上生成和检测超短波深紫外激光脉冲的新型平台，有望为变革光无线通信系统、材料加工应用及医学成像领域带来全新机遇

研究团队开发的用于飞秒时间尺度内 产生和探测深紫外激光脉冲的平台，有望在材料加工和高对比度生物成像等领域实现应用。

该深紫外光源通过非线性晶体中的级联二次谐波产生，利用相位匹配的二阶非线性过程。这一过程产生了飞秒激光的四次谐波，生成能量高达约2μJ的深紫外脉冲。通过对晶体厚度的优化，实现了模块化级联四次谐波产生，其从近红外到深紫外的转换效率达到20%。

诺丁汉大学的John Tisch教授表示：“我们利用非线性光学晶体中的相位匹配二阶过程，实现了对深紫外激光的高效产生。其高转换效率标志着一个重要里程碑，并为系统进一步优化及小型化紧凑光源的开发奠定了基础。”

通过基于硒化镓（GaSe）和氧化镓（Ga₂O₃）半导体制成的光电探测器，可在室温环境下探测飞秒深紫外脉冲。这些材料的电子特性非常适合低功耗传感器，并能提供快速的时间响应。

除了能探测深紫外飞秒脉冲外，这种二维半导体传感器在不同脉冲能量和脉冲重复率下均表现出可靠的性能。迄今为止，传统半导体或二维半导体材料尚未展示出这种能力。

负责传感器开发的Amalia Patané教授指出：“这项研究首次将飞秒深紫外激光脉冲的产生与其通过新型二维半导体的快速探测相结合。正如许多应用所需，这些传感器可在很宽的脉冲能量和重复率范围内工作。”

作为概念验证，研究人员利用飞秒深紫外脉冲演示了一种自由空间通信系统：飞秒激光源-发射器对信息进行编码，再由二维传感器-接收器完成解码。

深紫外波段的光产生与探测能力对众多应用，具有重要意义。例如，深紫外光的短波长特性使其能够实现超分辨率显微成像，达到纳米级分辨水平；其对材料的强吸收性使其在材料加工领域（包括表面活化、清洗和光刻）具有应用价值。

深紫外光在光谱分析和环境监测中同样作用显著，可通过独特的荧光与吸收特征实现对痕量物质的检测与定量分析。除上述领域外，深紫外光强大的大气散射特性为遮挡环境下的非视距通信系统数据传输开辟了新路径。

硒化镓与氧化镓的传感能力有望催生新型集成化光源-传感器平台，在机器间通信至关重要的应用场景中发挥作用。

研究人员Ben Dewes表示：“利用二维材料探测深紫外辐射仍处于起步阶段。探测超短脉冲的能力，以及在自由空间中结合脉冲产生与探测的技术，将有助于为自主系统与机器人之间的通信铺平道路。”

该光电探测器采用简单的平面结构，适合在光子集成电路上与其他元件实现单片集成。用于产生飞秒深紫外脉冲的材料制造与加工工艺具备可扩展性和成本优势。

凭借通过非线性光学过程高效产生深紫外激光的能力，该光源-传感器平台具有广泛价值。研究人员Tim Klee指出：“紧凑、高效且简单的深紫外光源将使更广泛的科学界和工业界受益，并推动该领域的持续进步。”