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Tiefen-UV-Lichtquelle zur Sterilisation und Desinfektion

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Die Forscher konstruieren eine optische Galliumnitrid-Mikrokavität mit hochreflektierenden verteilten Bragg-Reflektoren, um die Frequenz des einfallenden Lichts zu verdoppeln, was für eine sichere und praktische tiefe UV-Lichtquelle mit bakterizider Wirkung genutzt werden kann.

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Die Forscher der Graduate School of Engineering und des Zentrums für Quanteninformation und Quantenbiologie der Universität Osaka stellten ein neues Festkörpergerät der zweiten harmonischen Generation (SHG) vor, das Infrarotstrahlung in blaues Licht umwandelt. Diese Arbeit könnte zu einer praktischen, täglich genutzten tief ultravioletten Lichtquelle für die Sterilisation und Desinfektion führen.

In letzter Zeit haben tief ultraviolette (DUV) Lichtquellen in der Sterilisation und Desinfektion viel Aufmerksamkeit erregt. Um eine bakterizide Wirkung zu erzielen und gleichzeitig die Anwendersicherheit zu gewährleisten, ist ein Wellenlängenbereich von 220-230 nm wünschenswert. Aber DUV-Lichtquellen in diesem Wellenlängenbereich, die sowohl langlebig als auch hocheffizient sind, wurden bisher nicht entwickelt. Obwohl Wellenlängenkonversionsgeräte vielversprechende Kandidaten sind, können herkömmliche ferroelektrische Wellenlängenkonversionsmaterialien aufgrund der Absorptionskante nicht für DUV-Geräte verwendet werden.

Da Nitrid-Halbleiter wie Galliumnitrid und Aluminiumnitrid eine relativ hohe optische Nichtlinearität aufweisen, können sie für Wellenlängenkonversionsgeräte eingesetzt werden. Aufgrund seiner Transparenz bis 210 nm ist Aluminiumnitrid besonders geeignet für DUV-Wellenlängenkonversionsbauelemente. Allerdings hat sich die Realisierung von Strukturen mit periodisch invertierter Polarität wie bei herkömmlichen ferroelektrischen Wellenlängenkonvertern als recht schwierig erwiesen.

Die Forscher schlugen ein neuartiges monolithisches Mikrokavitäts-Wellenlängenkonversionsgerät ohne polaritätsinvertierte Struktur vor. Eine Grundwelle wird in der Mikrokavität mit zwei verteilten Bragg-Reflektoren (DBR) deutlich verstärkt, und gegenläufige zweite harmonische Wellen werden effizient in Phase von der einen Seite emittiert. Als erster Schritt in Richtung einer praktischen DUV-Lichtquelle wurde ein Galliumnitrid-Mikrohohlraum-Bauelement mittels Mikrofabrikationstechnologie hergestellt, einschließlich Trockenätzen und anisotropem Nassätzen für vertikale und glatte DBR-Seitenwände. Durch den Erhalt einer blauen SH-Welle wurde die Wirksamkeit des vorgeschlagenen Konzepts erfolgreich demonstriert.

"Unser Gerät kann angepasst werden, um eine breitere Palette von Materialien zu verwenden. Man kann sie für die Emission von tief ultraviolettem Licht oder sogar für die Erzeugung von breitbandigen Photonenpaaren einsetzen", sagt Seniorautor Masahiro Uemukai. Die Forscher hoffen, dass dieser Ansatz, da er nicht auf Materialien oder periodisch invertierte Strukturen angewiesen ist, die Konstruktion zukünftiger nichtlinearer optischer Geräte erleichtern wird.