Forskere skaber de første superspejle i mellem-infrarødt område

Et internationalt hold af forskere fra Østrig, USA og Schweiz har skabt de første superspejle i det mellem-infrarøde område. Disse spejle er en nøgleteknologi til mange applikationer, såsom optisk spektroskopi af drivhusgasser eller industrielle lasere til skæring og svejsning. Resultaterne blev for nylig offentliggjort i Nature Communications .

Inden for højtydende spejle jagter alle det umulige:belægninger med perfekt reflektivitet. I det synlige bølgelængdeområde (bølgelængder mellem 380 nm og 700 nm) opnår avancerede metalspejle en reflektivitet på op til 99 %, hvilket betyder, at en foton går tabt for hver 99 reflekterede fotoner. Det kan virke som meget, men i det nær-infrarøde område (mellem omkring 780 nm og 2,5 μm) har specialiserede spejlbelægninger allerede opnået en reflektivitet på 99,9997 %. Det betyder, at ud af 1 million reflekterede fotoner er kun tre tabt.

Der har længe været et ønske om at udvide denne superspejlteknologi til den mellem-infrarøde (bølgelængder fra 2,5 µm til 10 µm og derover). Dette vil muliggøre betydelige fremskridt på mange områder - for eksempel ved måling af sporgasser, der er relateret til klimaændringer, men også ved analyse af biobrændstoffer. Derudover kan mange industrielle og medicinske applikationer forbedres, såsom skærende lasere og laserskalpeller. Indtil videre har de bedste mellem-infrarøde spejle imidlertid mistet én ud af 10.000 fotoner, omkring 33 gange værre end nær-infrarøde superspejle.

I den nyligt offentliggjorte undersøgelse har et internationalt hold af videnskabsmænd nu skabt de første superspejle i det mellem-infrarøde. Under ledelse af Christian Doppler Laboratory for Mid-Infrared Spectroscopy and Semiconductor Optics (CDL Mid-IR) ved Universitetet i Wien og den industrielle partner Thorlabs Crystalline Solutions (Santa Barbara, Californien) var forskerne i stand til at skabe spejle, der kun miste otte ud af 1 million fotoner. Det betyder, at disse superspejle opnår en reflektivitet på 99,99923%. For at opnå denne rekord var forskerne nødt til præcist at analysere og kontrollere materialerne, spejldesignet og fremstillingsprocessen.

Ny belægningsproces udviklet

Først skulle forskerne udvikle en ny belægningsproces. De kombinerede konventionelle tyndfilmscoatingteknikker med nye halvledermaterialer og -metoder. Dette gjorde det muligt at overvinde de materielle begrænsninger i det vanskelige mellem-infrarøde område. Oliver H. Heckl, leder af CDL Mid-IR ved Universitetet i Wien, sagde:"Dette gennembrud viser det enorme potentiale i et vellykket samarbejde mellem innovativ grundforskning og behovsorienteret produktudvikling."

Garrett Cole, teknologichef hos Thorlabs Crystalline Solutions (TCS), forklarer:"Dette arbejde bygger på vores banebrydende arbejde inden for substratoverførte krystallinske belægninger."

Fremstilling var dog kun en del af udfordringen. Forskerne var også nødt til at måle spejlene præcist for at bevise deres ydeevne ud over enhver tvivl. Det var hovedopgaven for de to første forfattere, Gar-Wing Truong fra TCS og Lukas Perner fra Universitetet i Wien, som siger:"Som medopfindere af denne nye form for belægning var det spændende at sætte disse spejle igennem deres skridt og dermed bekræfte deres enestående præstation."

En umiddelbar anvendelse af disse nye superspejle er væsentligt at forbedre følsomheden af ​​optiske enheder til gasanalyse i det mellem-infrarøde. Disse enheder kan detektere og nøjagtigt kvantificere små mængder af vigtige miljømarkører, såsom kulilte.

For at demonstrere disse muligheder hentede holdet eksperter fra National Institute of Standards and Technology (NIST). De bekræftede den afgørende fordel for ultrafølsom spektroskopi i midt-IR-spektralområdet, herunder måling af radioisotoper, der er vigtige for nuklear efterforskning og kulstofdatering.

Flere oplysninger: Gar-Wing Truong et al., Mid-infrarøde superspejle med finesser på over 400.000, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43367-z

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Universitetet i Wien