长三角G60激光联盟导读
来自奥地利、美国和瑞士的研究人员组成的国际团队制造出了第一块中红外范围的超级反射镜。这些镜子是许多应用领域的关键技术，例如温室气体的光谱学或用于切割和焊接的工业激光器。相关成果以“Mid-infrared supermirrors with finesse exceeding 400 000”为题发表在《Nature Communications》上。
在高性能反射镜领域，都在追求不可能实现的目标：具有完美反射率的涂层。在可见光波长范围内(波长在 380 纳米到 700 纳米之间)，先进的金属镜面反射率高达 99%，这意味着每反射 99 个光子，就会损失一个光子。这看起来似乎很多，但在近红外波段(波长在 780 纳米到2.5微米之间)，专业镜面涂层的反射率已经达到 99.9997%。这意味着，在100万个反射光子中，只有3个会丢失。
图：超镜所用的硅衬底直径为 25 毫米。已经涂上的传统基底涂层会显示紫色。
长期以来，人们一直希望将这种超级反射镜技术扩展到中红外(波长从 2.5 微米到 10 微米及以上)。这将在许多领域取得重大进展--例如，在测量与气候变化有关的痕量气体时，以及在分析生物燃料时。此外，许多工业和医疗应用也可以得到改进，例如切割激光器和激光手术刀。然而，迄今为止，最好的中红外反射镜会损失万分之一的光子，比近红外超级反射镜差约 33 倍。
对于痕量气体传感和精密光谱学来说，低损耗反射镜的光腔对于提高光程长度和光强是不可或缺的。在可见光和近红外(NIR)光谱区域，光学干涉涂层的总光学损耗已低于百万分之二(ppm)，从而使空腔精细度超过100万。然而，尽管科学界对中红外光谱(MIR)很感兴趣，但一直缺乏这样的进展。
在研究报告中，研究人员能够制造出 100 万个光子中只损失8个光子的镜子。这意味着这些超级反射镜的反射率达到了99.99923%。为了达到这一纪录，研究人员必须对材料、镜子设计和制造过程进行精确分析和控制。
在此，研究人员展示了在高性能中红外反射镜方面的重大突破，报告称基底转移单晶干涉涂层能够在4.5 µm 附近实现 20万到40万的腔体精细度值，过量光学损耗(散射和吸收)低于5ppm。
图：高反射晶体半导体结构。这些结构首先生长在10 厘米长的砷化镓晶片上，然后分成较小的圆形镜面。然后将每个圆盘粘合到制备好的基板上，制成成品超反射镜。
开发新的涂层工艺
首先，研究人员必须开发一种新的涂层工艺。他们将传统的薄膜涂层技术与新型半导体材料和方法相结合。这样就有可能克服在困难的中红外区域的材料限制。这一突破表明，创新基础研究与以需求为导向的产品开发之间的成功合作潜力巨大。研究人员称，这项工作建立在基底转移晶体涂层方面的开创性工作的基础上。
图：制造工艺和涂层结构示意图。
然而，制造只是挑战的一部分。科学家们还必须对反射镜进行精确测量，以证明它们的性能毋庸置疑。
这些新型超反射镜的一个直接应用是显著提高用于中红外气体分析的光学设备的灵敏度。这些设备可以检测和精确量化微量的重要环境标志物，如一氧化碳。
为了证明这些可能性，研究小组请来了美国国家标准与技术研究院(NIST)的专家。他们证实了超灵敏光谱技术在中红外光谱范围内的决定性优势，包括测量对核取证和碳年代测定非常重要的放射性同位素。
图：光学损耗的光谱分辨测量。
通过这一平台，可以在 ~7000 nm 波长范围内实现 ppm 级的过量损耗(<10 ppm)，在接近 11 μm的波长范围内实现 <50 ppm 级的过量损耗(首次实现高性能CO2激光光学器件)。能够实现ppm级光学损耗的长波干涉涂层有可能推动激光制造技术的发展，包括极紫外光刻技术。
研究团队预计，这种涂层将使光谱学达到现有技术无法达到的灵敏度水平，从而进一步推动桌面式放射性碳光谱仪、紧凑型现场大气痕量气体检测设备以及化学传感仪器的发展。此外，所介绍的反射镜还有可能大大提高基于长波长激光制造系统的高损伤阈值和低损耗光学系统的能力。
