In een internationale samenwerking met partners uit de industrie en onderzoek, natuurkundigen van de Universiteit van Wenen, samen met Thorlabs, het Nationaal Instituut voor Standaarden en Technologie (NIST), en de Universiteit van Kansas, zijn er nu voor het eerst in geslaagd om hoogwaardige laserspiegels te demonstreren in het detectierelevante midden-infrarode golflengtebereik die minder dan tien van een miljoen fotonen absorberen. Vervaardigd in een nieuw proces op basis van kristallijne materialen, deze verliesarme spiegels beloven volledig nieuwe toepassingsgebieden te openen, bijvoorbeeld in optische ademgasanalyse voor vroege kankerdetectie of de detectie van broeikasgassen. Dit werk zal worden gepubliceerd in het huidige nummer van het tijdschrift optiek .

In 2016 slaagden onderzoekers van de LIGO laserinterferometer in de eerste directe waarneming van zwaartekrachtsgolven, die oorspronkelijk was voorspeld door Albert Einstein in 1916. Een belangrijke bijdrage aan de waarneming van deze golfachtige voortplanting van verstoringen in ruimte-tijd, die een jaar later werd beloond met de Nobelprijs, werd geleverd door de laserspiegels van de kilometerlange interferometer-assemblage. Optimalisatie van deze spiegels voor extreem lage optische absorptieverliezen was een belangrijke vooruitgang bij het realiseren van de gevoeligheid die nodig is om dergelijke metingen uit te voeren. "Spiegels met weinig verlies zijn een sleuteltechnologie voor veel verschillende onderzoeksgebieden, " legt Oliver H. Heckl uit, hoofd van het Christian Doppler-laboratorium voor Mid-IR-spectroscopie en halfgeleideroptica, "Ze zijn de schakel voor zulke uiteenlopende onderzoeksgebieden als kankerdiagnose en detectie van zwaartekrachtgolven."

In feite, vergelijkbare spiegeleigenschappen zijn ook veelbelovende technologische doorbraken voor aanzienlijk meer praktische toepassingen. Dit bevat, onder andere, gevoelige moleculaire spectroscopie, dat wil zeggen de detectie van de kleinste hoeveelheden stoffen in gasmengsels - een onderzoeksfocus van het Christian Doppler Laboratory (CDL). Voorbeelden zijn te vinden in de vroege detectie van kanker door de detectie van de kleinste concentraties markermoleculen in de adem van patiënten, of bij het nauwkeurig opsporen van methaanlekken in grootschalige aardgasproductiesystemen om de bijdrage van dergelijke broeikasgassen aan klimaatverandering te beperken.

In tegenstelling tot de experimenten bij LIGO, echter, dergelijke onderzoeken worden veel verder buiten het zichtbare lichtspectrum uitgevoerd, in het midden-infraroodbereik. In dit golflengtegebied ook bekend als het "vingerafdrukgebied, " veel structureel vergelijkbare moleculen zijn duidelijk te onderscheiden op basis van hun karakteristieke absorptielijnen. het is een al lang bestaande wens van de fotonica-gemeenschap, om vergelijkbare lage verliesniveaus te realiseren in dit technisch uitdagende golflengtebereik.

Dit is precies wat het team onder leiding van Oliver H. Heckl nu heeft bereikt in een internationale samenwerking. In dit geval, laag verlies betekent dat het nieuwe type spiegel minder dan 10 op een miljoen fotonen absorbeert. Ter vergelijking:een in de handel verkrijgbare badkamerspiegel "vernietigt" ongeveer tienduizend keer meer fotonen, en zelfs de spiegels die in toponderzoek worden gebruikt, hebben tien tot honderd keer hogere verliezen.

Deze drastische verbetering werd mogelijk gemaakt door het gebruik van een volledig nieuwe optische coatingtechnologie:eenkristalstapels van zeer zuivere halfgeleidermaterialen worden afgezet via een epitaxiaal groeiproces. Deze monokristallijne meerlagen worden vervolgens overgebracht via een gepatenteerd bindingsproces op gebogen optische siliciumsubstraten, het voltooien van de spiegels die werden getest bij zowel de CDL als de NIST. Deze unieke "kristallijne coating"-technologie is ontwikkeld en uitgevoerd door de industriële partner van het Christian Doppler Laboratory, Thorlabs kristallijne oplossingen. Dit bedrijf werd oorspronkelijk opgericht onder de naam Crystalline Mirror Solutions (CMS) in 2013 als een spin-off van de Universiteit van Wenen door Garrett Cole en Markus Aspelmeyer. CMS werd in december 2019 overgenomen door Thorlabs Inc.. Deze samenwerking in de sector werd mogelijk gemaakt, met de steun van het Bondsministerie voor Digitale en Economische Zaken, via het internationaal unieke model van de Christian Doppler Research Association (CDG) om toepassingsgericht basisonderzoek te bevorderen. Een onderzoeksgroep onder leiding van Adam Fleisher van het National Institute for Standards and Technology (NIST) in Gaithersburg, Maryland (VS), die bekend staat om zijn precisiemetingen, speelde ook een belangrijke rol in dit succes. Georg Winkler, co-auteur van de huidige studie spreekt zijn enthousiasme uit:"Precieze meettechnologie is veel meer dan alleen pedanterie. Waar je ook van dichtbij kunt kijken met een orde van grootte, je ontdekt meestal geheel nieuwe verschijnselen, denk maar aan de uitvinding van de microscoop en telescoop!"

In feite, deze beoordeling is al waar gebleken in de gedetailleerde karakterisering van de nieuwe spiegels zelf, toen een voorheen onbekend effect van polarisatie-afhankelijke absorptie werd ontdekt in de halfgeleiderlagen en theoretisch onderzocht door medewerker Prof. Hartwin Peelaers aan de Universiteit van Kansas. "Deze resultaten bieden grote kansen voor verdere verfijning van deze spiegels", co-auteur Lukas Perner is verheugd:"Dankzij de extreem lage verliezen kunnen we nu de bandbreedte en reflectiviteit verder optimaliseren."

Met dit in gedachten, de projectpartners werken al aan een verdere verbetering van de technologie:door uitbreiding van de optische bandbreedte van de spiegels kunnen ze efficiënt worden gebruikt met zogenaamde optische frequentiekammen. Hierdoor kunnen bijzonder complexe gasmengsels met ongekende nauwkeurigheid worden geanalyseerd.