Pulsos láser UV-C de femtosegundo: la nueva base de la fotónica ultrarrápida

Cuando se habla de luz ultravioleta, lo habitual es pensar en bronceado o en lámparas de desinfección. Sin embargo, la banda UV-C (entre 100 y 280 nanómetros) se comporta de una manera muy distinta en la atmósfera: se dispersa con mucha intensidad en el aire y apenas recorre grandes distancias en línea recta. Esa combinación, que a primera vista puede parecer una desventaja, abre la puerta a formas de comunicación óptica sin línea de visión en las que la señal llega al receptor rebotando en el entorno.

En la práctica, la diferencia sería algo así como pasar de un puntero láser que solo funciona si apuntas directamente al objetivo, a una bombilla que ilumina una habitación llena de muebles y recovecos. Esa “luz que se cuela por todas partes” es justo lo que hace especialmente interesante al UV-C para escenarios complejos, con polvo, humo, estructuras urbanas o vegetación densa, así como para microscopía de superresolución y enlaces ópticos en espacio libre de alta velocidad. El gran freno hasta ahora ha sido la falta de fuentes y detectores prácticos capaces de trabajar de forma fiable en este rango de longitudes de onda.

Pulsos láser UV-C de femtosegundo y detección ultrarrápida

Un trabajo reciente publicado en la revista Light: Science & Applications presenta una plataforma que combina, en un mismo sistema, la generación de pulsos láser UV-C de femtosegundo y su detección con tiempos de respuesta extremadamente cortos. Detrás del estudio se encuentra un equipo internacional liderado por la profesora Amalia Patané, de la Universidad de Nottingham, y el profesor John W. G. Tisch, del Imperial College London, especialistas respectivamente en semiconductores bidimensionales y en fuentes láser ultrarrápidas.

La idea técnica es directa pero nada sencilla de materializar: producir destellos de luz UV-C que duran apenas unos femtosegundos (un cuatrillón de segundo) y, justo después, captarlos con un detector que pueda seguir esa cadencia sin necesidad de sistemas de refrigeración criogénica ni condiciones de laboratorio extremas. Desde la óptica de las comunicaciones, esos pulsos actúan como “golpes” de información capaces de codificar datos a ritmos muy elevados, siempre que el receptor mantenga el tipo.

Óptica no lineal para fabricar un láser UV-C tan rápido

Conseguir un láser UV-C eficiente no suele hacerse partiendo de cero en esa longitud de onda, sino recurriendo a la óptica no lineal. En este enfoque, se toma una fuente láser inicial en una frecuencia más accesible y se la hace pasar por cristales no lineales que convierten parte de su energía en luz de frecuencia más alta. El punto delicado es ajustar el llamado phase matching o ajuste de fase, imprescindible para que las ondas generadas dentro del cristal se refuercen entre sí en lugar de anularse parcialmente.

El montaje descrito en el estudio utiliza generación de segundo armónico en cascada dentro de estos cristales: se va doblando sucesivamente la frecuencia del haz hasta situarla en la banda UV-C, preservando al mismo tiempo la duración ultracorta de los pulsos. Sería algo parecido a pasar una melodía grave por una cadena de efectos que la llevan a un registro más agudo, cuidando que cada etapa esté perfectamente afinada para no introducir ruido ni perder ritmo. Según explican los autores, esta cadena no lineal logra una alta eficiencia de conversión, un factor clave si se quiere evolucionar de un montaje voluminoso de laboratorio a fuentes UV-C más compactas y fáciles de integrar.

En palabras del profesor Tisch, aprovechar procesos ópticos de segundo orden bien ajustados en fase permite mejorar notablemente el rendimiento energético del sistema. Esa eficiencia no solo reduce el consumo y el tamaño potencial de la fuente, sino que además crea una base técnica sobre la que se podrían desarrollar láseres UV-C más asequibles y manejables para uso científico e industrial, tanto en Reino Unido como en otros países europeos.

Semiconductores 2D GaSe/Ga₂O₃ como fotodetectores UV-C

La otra mitad del avance está en el receptor: una familia de fotodetectores UV-C fabricados con semiconductores bidimensionales (2D). El material protagonista es el seleniuro de galio (GaSe), combinado con su correspondiente capa de óxido de banda prohibida ancha, Ga₂O₃. Estos materiales, de unas pocas capas atómicas de espesor, presentan propiedades electrónicas y ópticas muy adecuadas para la detección selectiva de radiación en el rango ultravioleta profundo.

Un aspecto relevante para el salto a la práctica es el método de fabricación: las capas de GaSe y Ga₂O₃ se obtienen mediante epitaxia por haces moleculares sobre obleas de zafiro de 2 pulgadas. Este tipo de sustrato y de técnica de crecimiento están en línea con procesos escalables e industrialmente compatibles, lejos de los métodos artesanales y de baja productividad que a menudo se ven en experimentos de fotónica avanzada. Para Europa, donde existe una apuesta clara por reforzar la cadena de valor en semiconductores, esta compatibilidad con tecnologías de oblea estándar resulta especialmente significativa.

Además, la respuesta de estos detectores se mantiene estable a temperatura ambiente, sin necesidad de sistemas de enfriamiento complicados. En muchas demostraciones punteras de fotónica y optoelectrónica, el requisito de operar a temperaturas muy bajas es uno de los principales frenos para cualquier intento de comercialización; aquí, la posibilidad de trabajar en condiciones más “mundanas” facilita imaginar dispositivos compactos y robustos en aplicaciones de campo.

Un comportamiento de detección de lineal a superlineal

Más allá de la mera sensibilidad, el estudio describe un rasgo curioso de la respuesta de los sensores GaSe/Ga₂O₃: la corriente generada por los pulsos UV-C pasa de un régimen lineal a un régimen superlineal en función de la energía de los destellos. En otras palabras, en ciertos rangos la señal no crece de forma proporcional a la luz incidente, sino más deprisa de lo esperado, lo que amplifica variaciones en la intensidad.

Este tipo de respuesta puede resultar útil en escenarios reales, porque permite conservar sensibilidad en un abanico amplio de energías de pulso. Sería como disponer de un micrófono que se comporta bien cuando se susurra y también cuando se alza la voz, manteniendo margen dinámico sin saturarse ni quedarse corto. La profesora Patané apunta precisamente a esta característica como uno de los elementos que hacen especialmente atractiva esta familia de detectores para diseñar plataformas de fotónica ultrarrápida basadas en UV-C, capaces de adaptarse a distintas tasas de repetición y condiciones de operación.

En el equipo de Nottingham, el doctorando Ben Dewes subraya que la detección de radiación UV-C con materiales 2D sigue en una etapa temprana. Aun así, el hecho de demostrar que estos sensores pueden seguir pulsos de femtosegundo y funcionar de forma integrada con una fuente UV-C en un experimento de comunicación en espacio libre sitúa el campo en un punto mucho más sólido para futuros desarrollos.

Comunicación en espacio libre con láser UV-C

Para ir más allá de la prueba de concepto de materiales, los investigadores montaron un pequeño enlace de comunicación óptica en espacio libre. En esa configuración, la fuente láser UV-C codifica información modulando los pulsos, y un fotodetector basado en semiconductores 2D se encarga de recibir y decodificar la señal. Toda la transmisión se lleva a cabo a través del aire, aprovechando las propiedades de dispersión de la banda UV-C.

Aunque se trata de un banco de pruebas de laboratorio, la demostración muestra que emisor y receptor pueden trabajar de forma coordinada en la misma plataforma espectral, con tiempos de respuesta en el rango de los femtosegundos. Es decir, no solo se ha conseguido generar luz UV-C ultrarrápida y detectarla, sino integrar ambos procesos en un sistema que ya puede “hablar” y “escuchar” en este idioma óptico tan particular. Este tipo de ensayo resulta especialmente interesante para futuras redes entre dispositivos autónomos, en las que la línea de visión directa no siempre está garantizada.

Aplicaciones potenciales: de robots conectados a instrumentación avanzada

La capacidad de generar y detectar pulsos láser UV-C tan breves abre perspectivas en varios frentes tecnológicos. En el ámbito de las comunicaciones, la fuerte dispersión de esta banda sugiere usos en enlaces sin línea de visión entre robots industriales, vehículos autónomos o drones que operen en entornos con obstáculos. En interiores complejos, fábricas con maquinaria densa o infraestructuras subterráneas, poder mantener un canal de datos aprovechando los rebotes de la luz puede marcar la diferencia en términos de fiabilidad.

En paralelo, la compatibilidad de estos materiales con la integración monolítica en circuitos fotónicos integrados abre el camino a sistemas donde fuente y detector se acerquen al formato chip. Esta miniaturización encaja bien con la estrategia europea de impulsar tecnologías fotónicas de alto valor añadido, tanto para aplicaciones científicas —como espectroscopía ultrarrápida o imagen de banda ancha— como para sectores industriales que requieran monitorización rápida de procesos, detección de contaminantes o control de calidad a muy alta resolución temporal.

En el campo de la investigación fundamental, trabajar con pulsos UV-C de femtosegundo permite investigar fenómenos extremadamente fugaces a escalas de tiempo que hasta hace poco eran difíciles de abordar. Procesos electrónicos en materiales avanzados, dinámicas de excitación en biomoléculas o reacciones fotoquímicas podrían estudiarse con mayor detalle, complementando herramientas ya consolidadas en el infrarrojo y el visible.

De la mesa óptica al dispositivo: retos pendientes

Pese a los avances, los propios autores del trabajo señalan que quedan varias cuestiones por resolver antes de ver esta tecnología en productos comerciales. La optimización de la eficiencia global del sistema, la reducción del tamaño de la fuente láser y el perfeccionamiento de los detectores para mejorar su robustez y reproducibilidad son algunos de los pasos inmediatos. En fotónica de alta precisión, factores como la estabilidad térmica, la alineación óptica o las tolerancias mecánicas marcan la frontera entre un experimento delicado sobre mesa antivibración y un módulo que pueda instalarse en un equipo de serie.

Pese a estas incógnitas, el trabajo firmado por el equipo de Nottingham e Imperial marca un hito claro: la luz UV-C deja de ser solo una curiosidad teórica por sus propiedades atmosféricas para convertirse en el centro de una plataforma fotónica ultrarrápida basada en láseres de femtosegundo y semiconductores 2D. Si las próximas etapas de desarrollo consiguen compactar y abaratar estas fuentes y sensores, será razonable esperar nuevas generaciones de sistemas de comunicación, instrumentación científica y soluciones industriales que aprovechen este segmento extremo del espectro electromagnético.