Ett internationellt team av forskare från Österrike, USA och Schweiz har skapat de första superspeglarna i det mellaninfraröda området. Dessa speglar är en nyckelteknologi för många applikationer, såsom optisk spektroskopi av växthusgaser eller industriella lasrar för skärning och svetsning. Resultaten publicerades nyligen i Nature Communications .
När det gäller högpresterande speglar jagar alla det omöjliga:beläggningar med perfekt reflektivitet. I det synliga våglängdsområdet (våglängder mellan 380 nm och 700 nm) uppnår avancerade metallspeglar en reflektivitet på upp till 99 %, vilket innebär att en foton går förlorad för varje 99 reflekterade fotoner. Det kan tyckas vara mycket, men i det nära-infraröda området (mellan cirka 780 nm och 2,5 μm) har specialiserade spegelbeläggningar redan uppnått en reflektivitet på 99,9997 %. Det betyder att av 1 miljon reflekterade fotoner går bara tre förlorade.
Det har länge funnits en önskan att utvidga denna superspegelteknologi till det mellaninfraröda (våglängder från 2,5 µm till 10 µm och längre). Detta skulle möjliggöra betydande framsteg på många områden – till exempel när man mäter spårgaser som är relaterade till klimatförändringar, men också när man analyserar biobränslen. Dessutom skulle många industriella och medicinska tillämpningar kunna förbättras, såsom skärande lasrar och laserskalpeller. Hittills har dock de bästa mellaninfraröda speglarna förlorat en av 10 000 fotoner, ungefär 33 gånger värre än nära-infraröda superspeglarna.
I den nyligen publicerade studien har ett internationellt team av forskare nu skapat de första superspeglarna i mellaninfrarött. Under ledning av Christian Doppler Laboratory for Mid-Infrared Spectroscopy and Semiconductor Optics (CDL Mid-IR) vid universitetet i Wien och industripartnern Thorlabs Crystalline Solutions (Santa Barbara, Kalifornien) kunde forskarna skapa speglar som endast förlora åtta av 1 miljon fotoner. Detta innebär att dessa superspeglar uppnår en reflektivitet på 99,99923 %. För att uppnå detta rekord var forskarna tvungna att exakt analysera och kontrollera materialen, spegeldesignen och tillverkningsprocessen.
Ny beläggningsprocess utvecklad
Först var forskarna tvungna att utveckla en ny beläggningsprocess. De kombinerade konventionell tunnfilmsbeläggningsteknik med nya halvledarmaterial och metoder. Detta gjorde det möjligt att övervinna de materiella begränsningarna i det svåra mellaninfraröda området. Oliver H. Heckl, chef för CDL Mid-IR vid universitetet i Wien, sa:"Detta genombrott visar den enorma potentialen i framgångsrikt samarbete mellan innovativ grundforskning och behovsorienterad produktutveckling."
Garrett Cole, teknologichef på Thorlabs Crystalline Solutions (TCS), förklarar, "Detta arbete bygger på vårt banbrytande arbete inom substratöverförda kristallina beläggningar."
Tillverkningen var dock bara en del av utmaningen. Forskarna var också tvungna att mäta speglarna exakt för att bevisa deras prestanda bortom allt tvivel. Det var huvuduppgiften för de två första författarna, Gar-Wing Truong från TCS och Lukas Perner från universitetet i Wien, som säger:"Som meduppfinnare av denna nya form av beläggning var det spännande att sätta dessa speglar genom deras takt och därmed bekräfta deras enastående prestation."
En omedelbar tillämpning av dessa nya superspeglar är att avsevärt förbättra känsligheten hos optiska enheter för gasanalys i mitten av infrarött. Dessa enheter kan upptäcka och exakt kvantifiera små mängder viktiga miljömarkörer, såsom kolmonoxid.
För att demonstrera dessa möjligheter tog teamet in experter från National Institute of Standards and Technology (NIST). De bekräftade den avgörande fördelen för ultrakänslig spektroskopi i mitten av IR-spektralområdet, inklusive mätning av radioisotoper som är viktiga för nukleär forensik och koldatering.
Mer information: Gar-Wing Truong et al, mellaninfraröda superspeglar med finess över 400 000, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43367-z
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av universitetet i Wien
