Een internationaal team van onderzoekers uit Oostenrijk, de Verenigde Staten en Zwitserland heeft de eerste superspiegels in het midden-infraroodbereik gemaakt. Deze spiegels zijn een sleuteltechnologie voor veel toepassingen, zoals optische spectroscopie van broeikasgassen of industriële lasers voor snijden en lassen. De resultaten zijn onlangs gepubliceerd in Nature Communications .

Op het gebied van hoogwaardige spiegels streeft iedereen naar het onmogelijke:coatings met perfecte reflectiviteit. In het zichtbare golflengtebereik (golflengten tussen 380 nm en 700 nm) bereiken geavanceerde metalen spiegels een reflectiviteit tot 99%, wat betekent dat er één foton verloren gaat voor elke 99 gereflecteerde fotonen. Dat lijkt misschien veel, maar in het nabij-infraroodbereik (tussen ongeveer 780 nm en 2,5 μm) hebben gespecialiseerde spiegelcoatings al een reflectiviteit van 99,9997% bereikt. Dit betekent dat van de 1 miljoen gereflecteerde fotonen er slechts drie verloren gaan.

Er bestaat al lang de wens om deze superspiegeltechnologie uit te breiden naar het midden-infrarood (golflengten van 2,5 µm tot 10 µm en verder). Dit zou op veel gebieden aanzienlijke vooruitgang mogelijk maken, bijvoorbeeld bij het meten van sporengassen die verband houden met klimaatverandering, maar ook bij het analyseren van biobrandstoffen. Daarnaast zouden veel industriële en medische toepassingen verbeterd kunnen worden, zoals snijlasers en laserscalpels. Tot nu toe verliezen de beste midden-infraroodspiegels echter één op de 10.000 fotonen, ongeveer 33 keer erger dan nabij-infrarood-superspiegels.

In het onlangs gepubliceerde onderzoek heeft een internationaal team van wetenschappers nu de eerste superspiegels in het midden-infrarood gecreëerd. Onder leiding van het Christian Doppler Laboratory for Mid-Infrared Spectroscopy and Semiconductor Optics (CDL Mid-IR) van de Universiteit van Wenen en de industriële partner Thorlabs Crystalline Solutions (Santa Barbara, Californië) konden de onderzoekers spiegels maken die alleen verliezen acht van de één miljoen fotonen. Dit betekent dat deze superspiegels een reflectiviteit bereiken van 99,99923%. Om dit record te bereiken moesten de onderzoekers de materialen, het spiegelontwerp en het productieproces nauwkeurig analyseren en controleren.

Nieuw coatingproces ontwikkeld

Eerst moesten de onderzoekers een nieuw coatingproces ontwikkelen. Ze combineerden conventionele dunnefilmcoatingtechnieken met nieuwe halfgeleidermaterialen en -methoden. Dit maakte het mogelijk om de materiële beperkingen in het moeilijke midden-infraroodgebied te overwinnen. Oliver H. Heckl, hoofd van de CDL Mid-IR aan de Universiteit van Wenen, zei:"Deze doorbraak toont het enorme potentieel aan van succesvolle samenwerking tussen innovatief basisonderzoek en op behoeften gerichte productontwikkeling."

Garrett Cole, Technology Manager bij Thorlabs Crystalline Solutions (TCS), legt uit:"Dit werk bouwt voort op ons baanbrekende werk op het gebied van substraat-overgebrachte kristallijne coatings."

De productie was echter slechts een deel van de uitdaging. De wetenschappers moesten de spiegels ook nauwkeurig meten om hun prestaties zonder enige twijfel te bewijzen. Dat was de hoofdtaak van de twee eerste auteurs, Gar-Wing Truong van TCS en Lukas Perner van de Universiteit van Wenen, die zeggen:"Als mede-uitvinders van deze nieuwe vorm van coating was het spannend om deze spiegels door hun vingers te halen." tempo en bevestigen zo hun uitstekende prestaties."

Een onmiddellijke toepassing van deze nieuwe superspiegels is het aanzienlijk verbeteren van de gevoeligheid van optische apparaten voor gasanalyse in het midden-infrarood. Deze apparaten kunnen kleine hoeveelheden belangrijke milieufactoren, zoals koolmonoxide, detecteren en nauwkeurig kwantificeren.

Om deze mogelijkheden aan te tonen schakelde het team deskundigen van het National Institute of Standards and Technology (NIST) in. Ze bevestigden het beslissende voordeel van ultragevoelige spectroscopie in het mid-IR-spectrale bereik, inclusief de meting van radio-isotopen die belangrijk zijn voor nucleair forensisch onderzoek en koolstofdatering.

Meer informatie: Gar-Wing Truong et al, Midden-infrarood superspiegels met een finesse van meer dan 400.000, Nature Communications (2023). DOI:10,1038/s41467-023-43367-z

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door Universiteit van Wenen