Forskare under ledning av EPFL har byggt optiska hålrum av ultrahög kvalitet för den svårfångade mitten av infrarött spektralområde, banar väg för nya kemiska och biologiska sensorer, samt lovande teknik.

Det mellersta infraröda spektralfönstret, kallas "molekylärt fingeravtrycksområde, "inkluderar ljusvåglängder från 2,5 till 20 μm. Det är en virtuell guldgruva för spektroskopi, kemisk och biologisk avkänning, materialvetenskap, och industri, eftersom det är intervallet där många organiska molekyler kan detekteras. Den innehåller också två områden som tillåter överföring av signaler genom atmosfären utan förvrängning eller förlust. Ett sätt att utnyttja potentialen i det mellersta infraröda spektralfönstret är att använda optiska håligheter, som är mikroenheter som begränsar ljus under längre tid. Dock, sådana enheter är för närvarande outforskade på grund av tekniska utmaningar vid denna våglängd. Forskare under ledning av EPFL har tagit sig an denna utmaning och framgångsrikt visat att kristallina material kan användas för att bygga optiska hålrum av ultrahög kvalitet för det mellersta infraröda spektralområdet, representerar det högsta värdet som har uppnåtts för någon typ av mitten-infraröd resonator hittills och sätter ett nytt rekord i fältet. T

hans oöverträffade verk publiceras i Naturkommunikation .

Caroline Lecaplain och Clément Javerzac-Galy från Tobias J. Kippenbergs lab på EPFL ledde forskningsinsatsen, tillsammans med kollegor från Russian Quantum Center. För att göra dessa mikrohålor av ultrahög kvalitet, forskarna använde alkaliska jordartsmetallfluoridkristaller som de polerade manuellt. De utvecklade obelagda chalcogenide avsmalnande fibrer för att effektivt koppla mellan-infrarött ljus från en kontinuerlig våg Quantum Cascade Laser (QCL) till sina kristallina mikrokaviteter. Till sist, Spectroscopy-tekniker för hålrumsringning gjorde att laget otvetydigt kunde demonstrera resonatorer av ultrahög kvalitet djupt i mitten av det infraröda spektralområdet.

Lika viktigt, forskarna visar också att mikrokavitetens kvalitetsfaktor begränsas av multifononabsorption. Detta är ett fenomen där fononer - kvasipartiklar gjorda av energi och vibrationer i hålighetens kristall - samtidigt interagerar och stör ljusbegränsning.

Detta arbete markerar en milstolpe inom mitten av infraröda material när det öppnar för första gången tillgång till ultrahöga resonatorer. Det är ett viktigt steg mot en kompakt frekvensstabiliserad laser i mitten av infrarött, som kan ha stor inverkan på applikationer som molekylär spektroskopi, kemisk avkänning och biodetektering.