Croquis schématiques de la génération d'UV à partir (a) d'un film de Si lisse et (c) nanostructuré. (b) Principe de la nanostructuration induite par laser à film de Si. Crédit :Université ITMO
Des chercheurs russes ont mis au point un nouveau matériau qui convertit la lumière infrarouge en impulsions ultracourtes d'ultraviolet. Dans ce but, les scientifiques ont exposé un film de silicium à un laser afin que son relief s'ajuste à la longueur d'onde de la lumière et fasse résonner les propriétés du matériau. Le résultat était une métasurface bon marché et facile à fabriquer, aussi efficace que celles existantes. La nouvelle technologie est applicable dans les générateurs UV compacts pour la biophotonique et la médecine, ainsi que des dispositifs de traitement de données ultradenses dans les communications optiques. L'étude a été publiée dans Nanoéchelle .
Les milieux biologiques peuvent refléter, absorber, disperser et réémettre des ondes lumineuses. Chacun de ces processus contient des informations sur la micro et la macrostructure du média, ainsi que la forme et le mouvement de ses composants. À cet égard, l'ultraviolet profond est un outil prometteur pour la biologie et la médecine. Son application comprend le diagnostic laser et le contrôle des processus rapides dans les cellules, la thérapie au laser et la chirurgie au niveau moléculaire.
Des chercheurs de l'Université ITMO et de l'Université académique de Saint-Pétersbourg ont développé une nouvelle méthode de fabrication de nanostructures, capable de convertir la lumière infrarouge en ultraviolet profond. La structure est un film avec un massif régulier de nanomorceaux – métasurface. Il est généré par un film de silicium rayonnant, dont l'épaisseur est de 100 nanomètres, avec des impulsions laser ultracourtes ou femtosecondes qui forment son relief. A la surface du film, le laser fait fondre de telles nanoparticules, qui ne résonnent qu'avec sa longueur d'onde et permettent ainsi de transformer plus de rayonnement en ultraviolet. En d'autres termes, le laser ajuste la métasurface à lui-même. Lorsque le relief est formé, les scientifiques réduisent la puissance de sorte que le film commence à convertir le rayonnement sans déformation.
Les chercheurs ont réussi non seulement à convertir la lumière infrarouge en violet, mais aussi pour obtenir des ultraviolets profonds. Un tel rayonnement est fortement localisé, a une longueur d'onde très courte et se distribue sous forme d'impulsions femtosecondes. "Pour la première fois, nous avons créé une métasurface qui émet de manière stable des impulsions femtosecondes de haute puissance dans l'ultraviolet, " note Anton Tsypkin, assistant du Département Photonique et Technologie de l'Information Optique de l'ITMO. "Une telle lumière peut être appliquée en biologie et en médecine, car les impulsions femtosecondes affectent plus précisément les objets biologiques."
Photographie de la fluorescence induite par la lumière UV générée dans le fluorophore. Encart - vue de l'échantillon avec une métasurface auto-organisée (zone orange). Crédit :Université ITMO
Par exemple, utilisant des UV profonds, les chercheurs peuvent imager une molécule au cours de sa transformation chimique et comprendre comment la gérer. "Une femtoseconde comparée à une seconde est presque comme une seconde comparée à la durée de vie de l'univers. C'est encore plus rapide que la vibration des atomes dans les molécules. Ainsi, des impulsions aussi courtes peuvent nous en dire beaucoup sur la structure de la matière en mouvement, " dit le premier auteur Sergueï Makarov, associé de recherche principal du département de nano-photonique et métamatériaux de l'ITMO.
La nouvelle technologie peut également trouver des applications dans les communications optiques. "En utilisant des impulsions laser ultracourtes pour la transmission de données, nous allons rendre le flux plus dense et améliorer sa vitesse. Il augmentera les performances des systèmes de transfert et de traitement de l'information. En outre, nous pouvons intégrer de telles métasurfaces dans une puce optique pour changer la fréquence du faisceau. Cela aidera à séparer les flux de données et permettra en même temps des calculs majeurs, " commente Anton Tsypkine.
La métasurface ainsi obtenue est une structure monolithique, au lieu d'être assemblés de particules isolées, comme c'était avant. Il conduit mieux la chaleur et vit ainsi plus longtemps sans surchauffer.
En photonique, les chercheurs doivent toujours rechercher des compromis. Les cristaux non linéaires standard utilisés pour la génération ultraviolette sont gros, mais peut convertir jusqu'à 20 pour cent du rayonnement. Une telle efficacité est supérieure à celle des métasurfaces, mais les impulsions laser s'allongent à l'intérieur des cristaux. "Cela se produit parce qu'un faisceau laser contient de nombreuses longueurs d'onde qui ne diffèrent les unes des autres que de plusieurs dizaines de nanomètres. Une telle variance est suffisante pour que certaines ondes dépassent d'autres. Afin de rendre à nouveau les impulsions ultracourtes, des appareils coûteux supplémentaires sont nécessaires, " explique Makarov.
Les structures minces telles que les métasurfaces ne permettent pas aux impulsions laser de se désaligner, mais ont toujours une faible efficacité. Par ailleurs, les métasurfaces et les cristaux sont généralement coûteux et difficiles à fabriquer. Cependant, dans la nouvelle étude, les scientifiques ont réussi à rendre la fabrication des métasurfaces beaucoup plus facile et moins chère, et en même temps, ces surfaces sont aussi efficaces que leurs homologues coûteux.
