飞秒紫外-C光子学突破：集成二维半导体传感与高效非线性光源新平台

《Light-Science & Applications》：Fast ultraviolet-C photonics: generating and sensing laser pulses on femtosecond timescales

针对紫外-C（UV-C）波段飞秒激光脉冲生成与探测的技术瓶颈，研究人员开发了集成非线性光学晶体（BiBO/BBO）与二维半导体（2DSEM）传感器的UV-C源-传感平台。该研究实现了20%的四次谐波转换效率，并首次发现Ga2O3/石墨烯异质结构具有超线性光电流响应（α=1.3），为飞秒级紫外光子学在自由空间通信、超快光谱等领域的应用奠定基础。

　　

在光子学领域，紫外-C（UV-C）波段（100-280纳米）犹如一把能解锁无数科学谜题的钥匙。从揭示生物分子动态的超分辨显微镜，到精准灭活微生物的消毒技术，再到复杂环境下的非视距通信，UV-C光子的独特属性使其成为科技创新不可或缺的工具。然而，这个波段的飞秒级激光脉冲却长期面临生成难、探测慢的困境——传统激准分子激光器体积庞大，氮化铝镓（AlGaN）二极管激光器功率有限，而二维半导体（2DSEM）传感器又受制于响应速度与线性范围的矛盾。

面对这一挑战，Benjamin T. Dewes等研究者在《Light: Science & Applications》发表的最新研究中，巧妙地将非线性光学晶体的“创造力”与二维半导体的“感知力”融合，构建了一个兼具高效生成与快速探测能力的UV-C光子学平台。该工作不仅实现了20%的飞秒激光四倍频转换效率，更意外发现氧化镓（Ga₂O₃）传感器具备随脉冲能量增强的超线性光电流响应特性，为飞秒级UV-C技术从实验室走向实际应用扫清了关键障碍。

关键技术方法

研究通过分子束外延（MBE）在蓝宝石/石墨烯碳化硅（SiC）基底上制备硒化镓（GaSe）薄膜，经热氧化处理获得Ga₂O₃敏感层。飞秒UV-C脉冲由1024纳米激光经铋硼酸盐（BiBO）和偏硼酸钡（BBO）晶体级联二次谐波产生（SHG）获得，晶体厚度经数值模拟优化。传感性能采用跨相关测量、光谱响应测试等手段表征，自由空间通信演示通过通用异步收发器（UART）协议调制激光脉冲实现。

研究结果

飞秒UV-C激光脉冲的生成与探测

通过优化1毫米厚BiBO晶体与0.3毫米厚BBO晶体的级联配置，在60千赫兹重复频率下实现了20%的1024纳米→256纳米四倍频转换效率，获得脉冲能量2.38微焦、持续时间243飞秒的近高斯UV-C光束。GaSe传感器在真空环境中表现出线性光电流响应，但其性能在高脉冲能量（>1微焦）下受热效应限制。

Ga₂O₃/石墨烯/SiC传感器的超线性响应

氧化形成的5纳米厚Ga₂O₃与石墨烯/SiC构成异质结传感器，在脉冲能量（E）与平均功率（P）增加时呈现显著的超线性光电流增长（α=1.3）。该现象无法用双光子吸收（TPA）等非线性光学效应解释，研究团队提出其源于光热电子发射效应与缺陷态占据率的功率依赖性调控——宽禁带半导体中载流子复合中心随功率升高逐渐饱和，延长了光生载流子寿命。

自由空间通信验证

通过将ASCII信息编码为5千赫兹UART信号调制UV-C脉冲序列，在3米距离实现了基于Ga₂O₃传感器的消息传输与解码。该演示验证了平台在实时通信场景下的可靠性，为机器间紫外光子通信提供了技术原型。

结论与展望

本研究首次实现了飞秒UV-C脉冲生成与二维半导体传感的系统级集成。非线性晶体相位匹配技术将转换效率推升至20%，而GaSe与Ga₂O₃传感器分别展现出线性与超线性响应特性，突破了传统半导体探测器在高速响应与宽动态范围间的权衡限制。尤为重要的是，所有材料均兼容晶圆级制造工艺，为紫外光子集成电路的开发铺平道路。该平台不仅可推动超快光谱、纳米成像等科学仪器的革新，更在自主系统通信、环境监测等民生领域具有广阔应用前景。随着紧凑型高功率飞秒激光器的成熟，这项研究或将引领深紫外光子技术进入一个全新的“飞秒时代”。