维也纳大学CDL Mid-IR和 Thorlabs Crystalline Solutions合作首次制造出中红外范围的超级反射镜

一个由来自奥地利、美国和瑞士的研究人员组成的国际团队创造出了首个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，如温室气体的光学光谱学或用于切割和焊接的工业激光器。相关成果最近发表在《Nature Communications》上。

用于制作超级反射镜直径为 25 mm的硅基板。图片来源：Valentin Wittwer。

在高性能反射镜领域，每个人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 nm到 700 nm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 nm到 2.5 μm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。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 µm到10 µm，甚至更远）。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，例如激光切割和激光手术刀。然而，迄今为止，最好的中红外反射镜也会损失万分之一的光子，比近红外超级反射镜差 33 倍。

在最近发表的研究报告中，一个国际科学家团队创造出了首个中红外超级反射镜。在维也纳大学克里斯蒂安-多普勒中红外光谱学和半导体光学实验室（CDL Mid-IR）和工业合作伙伴 Thorlabs Crystalline Solutions（加利福尼亚州圣巴巴拉）的领导下，研究人员能够制造出 100 万个光子中仅损失 8 个光子的反射镜。这意味着这些超级反射镜的反射率达到了 99.99923%。为了实现这一纪录，研究人员必须对材料、反射镜设计和制造过程进行精确分析和控制。

高反射晶体半导体结构。它们首先生长在 10 cm的砷化镓晶圆上，然后被分割成更小的圆形反射镜。然后将每个圆盘结合到制备好的基底上，形成一个成品超级反射镜。资料来源：Georg Winkler。

制造工艺和涂层结构示意图。这些超低损耗反射镜在 (a) 全晶和 (b) 混合设计中利用了基底传输 MBE 生长的 GaAs/AlGaAs 多层板的低散射和吸收损耗。资料来源：Gar-Wing Truong 等人，《Mid-infrared supermirrors with finesse exceeding 400,000》，《Nature Communications》（2023 年）。

开发出新型涂层工艺

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。这样就有可能克服中红外区域的材料限制。维也纳大学 CDL Mid-IR负责人 Oliver H. Heckl 说：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。

Thorlabs Crystalline Solutions（TCS）公司技术经理Garrett Cole解释说：这项工作建立在我们在基底转移晶体涂层方面的开创性工作基础之上。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，以便毫无疑问地证明其性能。这是两位第一作者--来自 TCS 的 Gar-Wing Truong 和来自维也纳大学的 Lukas Perner 的主要任务，他们说：作为这种新型涂层的共同发明者，能够对这些镜子进行测试，从而证实它们的出色性能，是一件令人兴奋的事情。

模拟电场衰减（红色和绿色轨迹）与进入全晶和混合涂层深度的函数关系。提供了 4.45 μm 处的多层设计和材料指数。如果晶体层仍然是第一反射面，那么用非晶叠层取代一个晶体半反射镜对光学吸收的影响很小。比较电场曲线，全晶镀膜和混合镀膜的 878 nm光场穿透深度是相同的。资料来源：Gar-Wing Truong 等人，《Mid-infrared supermirrors with finesse exceeding 400,000》，《Nature Communications》（2023 年）。

光学损耗的光谱分辨测量。垂直误差条表示在特定波长下采集的衰荡集合的标准偏差，而水平误差条表示 ±9 nm 的单色仪带宽。激光调谐范围内的极端波长会导致较低的光源功率和较大的损耗不确定性。两种镜面设计都产生了创纪录的光学性能，(a) 全晶镜面实现了以透射为主的精细度 > 200 000，而 (b) 混合镜面由于透射率降低而超过了 400 000。蓝圈：测量的总损耗。红色实线：生长后的透射率（Tcalc）。资料来源：Gar-Wing Truong 等人，《Mid-infrared supermirrors with finesse exceeding 400,000》，《Nature Communications》（2023 年）。

光学损耗的空间分辨测量。每个点的值都是在 (a) 全晶反射镜和 (b) 混合反射镜中央 2 mm处连续测量 10 次的中值。样品间距为 0.1 mm。测量结果表明，混合镜的均匀性显著提高（损耗值范围更小），这可能是由于单结合步骤降低了缺陷密度。插图中显示了示例反射镜的照片。

这些新型超级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。

超高纯度氮气 (N2) 样品的光腔衰荡光谱。(a)一氧化二氮（N2O）的痕量杂质的吸收线与 141 ppt 的浓度一致，(b)一氧化碳（CO）的吸收线与 37.78 ppb 的浓度一致（N2O 的贡献较小）。缩写：O-C，观测值减去计算值。(c) 空腔时间常数的 Allan 偏差 (τ0)。资料来源：Gar-Wing Truong 等人，《Mid-infrared supermirrors with finesse exceeding 400,000》，《Nature Communications》（2023 年）。

更多信息： Gar-Wing Truong 等人，《Mid-infrared supermirrors with finesse exceeding 400,000》，《Nature Communications》（2023 年）。