Krystallinske superspejle til sporing af sporgas inden for miljøvidenskab og medicin

I et internationalt samarbejde med partnere fra industri og forskning, fysikere fra universitetet i Wien, sammen med Thorlabs, National Institute of Standards and Technology (NIST), og University of Kansas, er det nu lykkedes for første gang at demonstrere højtydende laserspejle i det sansningsrelevante mellem-infrarøde bølgelængdeområde, der absorberer mindre end ti ud af en million fotoner. Fremstillet i en ny proces baseret på krystallinske materialer, disse lavt tabte spejle lover at åbne helt nye anvendelsesområder, for eksempel i optisk respiratorisk gasanalyse til tidlig kræftpåvisning eller påvisning af drivhusgasser. Dette arbejde vil blive offentliggjort i det aktuelle nummer af tidsskriftet Optica .

I 2016 lykkedes forskere ved LIGO laserinterferometer i den første direkte observation af gravitationsbølger, som oprindeligt var blevet forudsagt af Albert Einstein i 1916. Et væsentligt bidrag til observation af denne bølgelignende udbredelse af forstyrrelser i rumtiden, som blev belønnet med Nobelprisen et år senere, blev leveret af laserspejlene i den kilometerlange interferometersamling. Optimering af disse spejle til ekstremt lave optiske absorptionstab var et vigtigt fremskridt for at indse følsomheden, der er nødvendig for at foretage sådanne målinger. "Spejle med lav tab er en nøgleteknologi for mange forskellige forskningsområder, "forklarer Oliver H. Heckl, leder af Christian Doppler Laboratory for Mid-IR Spectroscopy and Semiconductor Optics, "De er bindeleddet for så forskelligartede forskningsområder som kræftdiagnose og påvisning af gravitationsbølger."

Faktisk, sammenlignelige spejlegenskaber er også lovende teknologiske gennembrud til betydeligt mere praktiske anvendelser. Dette omfatter, blandt andet, følsom molekylær spektroskopi, dvs. påvisning af de mindste mængder stoffer i gasblandinger - et forskningsfokus for Christian Doppler Laboratory (CDL). Eksempler kan findes i den tidlige påvisning af kræft gennem påvisning af de mindste koncentrationer af markørmolekyler i patienternes ånde, eller i den nøjagtige påvisning af metanlækager i store naturgasproduktionssystemer for at begrænse sådanne drivhusgassers bidrag til klimaændringer.

I modsætning til eksperimenterne på LIGO, imidlertid, sådanne undersøgelser udføres meget længere uden for det synlige lysspektrum, i mellem-infrarødt område. I denne bølgelængderegion, også kendt som "fingeraftryksregionen, "mange strukturelt ensartede molekyler kan klart skelnes på grundlag af deres karakteristiske absorptionslinjer. Derfor er det er et mangeårigt ønske fra fotonikfællesskabet, at realisere tilsvarende lave tabsniveauer i dette teknisk udfordrende bølgelængdeområde.

Det er præcis, hvad teamet ledet af Oliver H. Heckl nu har opnået i et internationalt samarbejde. I dette tilfælde, lavt tab betyder, at den nye spejltype absorberer mindre end 10 ud af en million fotoner. Til sammenligning:Et kommercielt tilgængeligt badeværelsesspejl "ødelægger" omkring ti tusinde gange flere fotoner, og selv de spejle, der bruges i topforskning, har ti til hundrede gange større tab.

Denne drastiske forbedring blev muliggjort ved brug af en helt ny optisk belægningsteknologi:For det første enkeltkrystalstakke af halvledermaterialer af høj renhed afsættes via en epitaksial vækstproces. Disse monokrystallinske flerlag overføres derefter via en proprietær bindingsproces til buede silicium optiske substrater, fuldende de spejle, der blev testet på både CDL og NIST. Denne unikke "krystallinske belægning" -teknologi blev udviklet og udført af industriel partner for Christian Doppler Laboratory, Thorlabs krystallinske løsninger. Dette firma blev oprindeligt grundlagt under navnet Crystalline Mirror Solutions (CMS) i 2013 som en spin-off fra University of Vienna af Garrett Cole og Markus Aspelmeyer. CMS blev opkøbt af Thorlabs Inc. i december 2019. Dette branchesamarbejde blev muliggjort, med støtte fra forbundsministeriet for digitale og økonomiske anliggender, via den internationalt unikke model af Christian Doppler Research Association (CDG) for at fremme applikationsorienteret grundforskning. En forskergruppe ledet af Adam Fleisher fra National Institute for Standards and Technology (NIST) i Gaithersburg, Maryland (USA), som er kendt for præcisionsmålinger, spillede også en central rolle i denne succes. Georg Winkler, medforfatter til den aktuelle undersøgelse udtrykker sin begejstring:"Præcis målingsteknologi er meget mere end bare pedanteri. Overalt hvor du kan se nærmere på i en størrelsesorden, du opdager normalt helt nye fænomener, tænk bare på opfindelsen af ​​mikroskopet og teleskopet! "

Faktisk, denne vurdering har allerede vist sig at være sand i den detaljerede karakterisering af de nye spejle selv, da en tidligere ukendt effekt af polarisationsafhængig absorption blev opdaget i halvlederlagene og teoretisk undersøgt af samarbejdspartner Prof. Hartwin Peelaers ved University of Kansas. "Disse resultater åbner store muligheder for yderligere forfining af disse spejle", medforfatter Lukas Perner er henrykt:"Takket være de ekstremt lave tab kan vi nu optimere båndbredden og refleksionen yderligere."

Med det i tankerne, projektpartnerne arbejder allerede på en yderligere forbedring af teknologien:Udvidelse af spejlenes optiske båndbredde gør det muligt at bruge dem effektivt med såkaldte optiske frekvenskamme. Dette vil muliggøre analyse af særligt komplekse gasblandinger med en hidtil uset nøjagtighed.