I ett internationellt samarbete med partners från industri och forskning, fysiker från universitetet i Wien, tillsammans med Thorlabs, National Institute of Standards and Technology (NIST), och University of Kansas, har nu för första gången lyckats demonstrera högpresterande laserspeglar i det avkänningsrelevanta mellaninfraröda våglängdsområdet som absorberar mindre än tio av en miljon fotoner. Tillverkad i en ny process baserad på kristallina material, dessa lågförlustspeglar lovar att öppna upp helt nya applikationsområden, till exempel vid optisk respiratorisk gasanalys för tidig upptäckt av cancer eller detektion av växthusgaser. Detta arbete kommer att publiceras i det aktuella numret av tidskriften Optica .

Under 2016 lyckades forskare vid LIGO laserinterferometer med den första direkta observationen av gravitationsvågor, som ursprungligen hade förutspåtts av Albert Einstein 1916. Ett betydande bidrag till observationen av denna vågliknande utbredning av störningar i rum-tid, som belönades med Nobelpriset ett år senare, tillhandahölls av laserspeglarna i den kilometerlånga interferometerenheten. Optimering av dessa speglar för extremt låga optiska absorptionsförluster var ett nyckelframsteg för att realisera den känslighet som krävs för att göra sådana mätningar. "Lågförlustspeglar är en nyckelteknologi för många olika forskningsområden, "förklarar Oliver H. Heckl, chef för Christian Doppler Laboratory for Mid-IR Spectroscopy and Semiconductor Optics, "De är länken till så olika forskningsområden som cancerdiagnos och gravitationsvågdetektering."

Faktiskt, jämförbara spegelegenskaper är också lovande tekniska genombrott för betydligt mer praktiska tillämpningar. Detta inkluderar, bland annat, känslig molekylär spektroskopi, d.v.s. upptäckten av de minsta mängderna ämnen i gasblandningar – ett forskningsfokus för Christian Doppler Laboratory (CDL). Exempel kan hittas vid tidig upptäckt av cancer genom detektion av de minsta koncentrationerna av markörmolekyler i patienternas andetag, eller vid exakt detektering av metanläckor i storskaliga naturgasproduktionssystem för att begränsa bidraget från sådana växthusgaser till klimatförändringarna.

Till skillnad från experimenten vid LIGO, dock, sådana undersökningar utförs mycket längre utanför det synliga ljusspektrumet, i mitten av infrarött område. I detta våglängdsområde, även känd som "fingeravtrycksregionen, " många strukturellt likartade molekyler är tydligt särskiljbara på basis av deras karakteristiska absorptionslinjer. Därför det är en långvarig önskan från fotonikgemenskapen, att realisera liknande låga förlustnivåer i detta tekniskt utmanande våglängdsområde.

Det är precis vad teamet ledd av Oliver H. Heckl nu har uppnått i ett internationellt samarbete. I detta fall, låg förlust innebär att den nya typen av spegel absorberar mindre än 10 av en miljon fotoner. Som jämförelse:En kommersiellt tillgänglig badrumsspegel "förstör" cirka tio tusen gånger fler fotoner, och även speglarna som används i toppforskning har tio till hundra gånger högre förluster.

Denna drastiska förbättring möjliggjordes genom användningen av en helt ny optisk beläggningsteknik:För det första, enkristallstaplar av högrena halvledarmaterial avsätts via en epitaxiell tillväxtprocess. Dessa monokristallina flerskikt överförs sedan via en proprietär bindningsprocess till böjda optiska kiselsubstrat, komplettera speglarna som testades på både CDL och NIST. Denna unika "kristallina beläggningsteknik" utvecklades och utfördes av den industriella partnern till Christian Doppler Laboratory, Thorlabs Crystalline Solutions. Detta företag grundades ursprungligen under namnet Crystalline Mirror Solutions (CMS) 2013 som en spin-off från universitetet i Wien av Garrett Cole och Markus Aspelmeyer. CMS förvärvades av Thorlabs Inc. i december 2019. Detta branschsamarbete möjliggjordes, med stöd av det federala ministeriet för digitala och ekonomiska frågor, via Christian Doppler Research Associations (CDG) internationellt unika modell för att främja tillämpningsorienterad grundforskning. En forskargrupp ledd av Adam Fleisher från National Institute for Standards and Technology (NIST) i Gaithersburg, Maryland (USA), som är känt för precisionsmätningar, spelade också en nyckelroll i denna framgång. Georg Winkler, medförfattare till den aktuella studien uttrycker sin entusiasm:"Exakt mätteknik är mycket mer än bara pedanteri. Varhelst du kan ta en närmare titt i en storleksordning, man upptäcker oftast helt nya fenomen, tänk bara på uppfinningen av mikroskopet och teleskopet! "

Faktiskt, denna bedömning har redan visat sig sann i den detaljerade karaktäriseringen av själva de nya speglarna, när en tidigare okänd effekt av polarisationsberoende absorption upptäcktes i halvledarskikten och teoretiskt utforskades av samarbetspartnern Prof. Hartwin Peelaers vid University of Kansas. "Dessa resultat öppnar stora möjligheter när det gäller ytterligare förfining av dessa speglar", medförfattaren Lukas Perner är glad:"Tack vare de extremt låga förlusterna kan vi nu optimera bandbredden och reflektionsförmågan ytterligare."

Med detta i åtanke, projektpartnerna arbetar redan med en ytterligare förbättring av tekniken:Utvidgning av speglarnas optiska bandbredd gör att de kan användas effektivt med så kallade optiska frekvenskammar. Detta möjliggör analys av särskilt komplexa gasblandningar med en aldrig tidigare skådad noggrannhet.