04 Apr Superspiegel für das mittlere Infrarot
Ein internationales Forscherteam aus Österreich, den USA und der Schweiz hat eigenen Angaben zufolge die ersten Hochleistungsspiegel im mittleren Infrarot realisiert. Sie gelten als Schlüsseltechnologie etwa für die optische Spektroskopie von Treibhausgasen oder für Industrielaser zum Schneiden und Schweißen.
Fortschrittliche Metallspiegel erreichen bei sichtbaren Wellenlängen zwischen 380 und 700 nm eine Reflektivität von bis zu 99%: für 99 reflektierte Photonen geht eines verloren. Im nahen Infrarot zwischen rund 780 nm und 2,5 μm schaffen spezialisierte Spiegelbeschichtungen bereits 99,9997%. Sie verlieren von einer Million reflektierter Photonen nur mehr drei. Seit langem besteht der Wunsch, diese Superspiegeltechnologie auf das mittlere Infrarot zwischen 2,5 und 10 µm – und darüber hinaus – auszudehnen. Das würde Fortschritte für die Messung von Spurengasen im Zusammenhang mit dem Klimawandel, aber auch bei der Analyse von Biofuels bedeuten. Außerdem könnten industrielle und medizinische Anwendungen wie Schneidlaser und Laserskalpelle verbessert werden.
Acht von einer Million
Bislang verlieren die besten Spiegel für das mittlere Infrarot jedoch eines von 10 000 Photonen, also etwa 33 Mal mehr als die Superspiegel im nahen Infrarot. Unter der Führung des Christian-Doppler-Labors für Mid-Infrared Spectroscopy and Semiconductor Optics (CDL Mid-IR) an der Universität Wien und des Industriepartners Thorlabs Crystalline Solutions aus Santa Barbara, Kalifornien/USA, konnte das Forscherteam nun Spiegel im mittleren Infrarot zeigen, die nur acht von einer Million Photonen verlieren. Damit erreichen diese Superspiegel eine Reflektivität von 99,99923 %.
Eine unmittelbare Anwendung besteht darin, die Empfindlichkeit optischer Geräte für die Gasanalyse im mittleren Infrarot zu verbessern. Diese Geräte können winzige Mengen wichtiger Umweltmarker wie Kohlenmonoxid detektieren und genau quantifizieren. Um diese Möglichkeiten zu demonstrieren, zog das Team Experten des National Institute of Standards And Technology (NIST) hinzu. Diese bestätigten im Rahmen einer Studie den entscheidenden Vorteil für die ultraempfindliche Spektroskopie im Mid-IR, einschließlich der Messung von Radioisotopen, die für die nukleare Forensik und die Kohlenstoffdatierung wichtig sind.
Hochreflektive kristalline Halbleiter, die zunächst auf 10 cm großen Galliumarsenid-Wafern wachsen und dann in kleinere, runde Spiegel unterteilt werden. Bild: Georg Winkler
Beschichtung und Vermessung
Zunächst bestand die Aufgabe darin, ein neues Beschichtungsverfahren zu entwickeln. Dabei kombinierten die Forscher herkömmliche Dünnschicht-Beschichtungstechniken mit neuartigen Halbleitermaterialien und -methoden, um Materialbeschränkungen im schwierigen mittleren Infrarot zu überwinden. Dazu Oliver H. Heckl, Leiter des CDL Mid-IR an der Universität Wien: “An diesem Durchbruch sieht man das enorme Potenzial in der erfolgreichen Zusammenarbeit zwischen innovativer Grundlagenforschung und bedarfsorientierter Produktentwicklung”. Garrett Cole, Technology Manager bei Thorlabs Crystalline Solutions (TCS), erklärt: “Diese Arbeit baut auf unseren Pionierleistungen im Bereich der substrattransferierten kristallinen Beschichtungen auf.“
Die Herstellung war jedoch nur ein Teil der Herausforderung. Die Wissenschafter mussten die Spiegel auch genau vermessen, um ihre Leistung zweifelsfrei zu belegen. Das war die Hauptaufgabe der beiden Erstautoren, Gar-Wing Truong von TCS und Lukas Perner von der Universität Wien.
Originalpublikation:
[G.-W. Truong, L. W. Perner et al.: Mid-infrared supermirrors with finesse exceeding 400 000; Nature Communications (2023), DOI: 10.1038/s41467-023-43367-z]
Quelle: www.univie.ac.at
Bild: Valentin Wittwer
