先進的紅外線反射鏡透過精確的微量氣體感測增強了氣候和生物燃料研究。根據《自然-通訊》（Nature Communications）雜誌報導，透過國際合作，首個具有超強反射率的中紅外線超級反射鏡誕生了。這項創新實現了近乎完美的反射率,有望大大增強環境氣體感測和工業流程，標誌著鏡子技術的重大飛躍。

由來自美國、奧地利和瑞士的研究人員組成的國際團隊展示了第一個真正的中紅外光譜區超級反射鏡。這些反射鏡是許多應用的關鍵，如用於環境感測的光學光譜儀，以及用於製造的雷射切割和焊接。

在高性能反射鏡領域，每個人都在追求不可能的目標：具有完美反射率的鍍膜。在可見光波長範圍內（即380 奈米到700 奈米之間），先進的金屬鏡面反射率高達99%，這意味著每反射99 個光子，就會損失1 個光子。這似乎令人印象深刻，但在近紅外線區域（即~780 奈米至2.5 μm），鏡面塗層的反射率已達到99.9997%，反射的100 萬個光子中僅損失3 個光子。

直徑一吋的矽基片上塗有傳統沉積的干涉塗層。資料來源：Valentin Wittwer

長期以來，人們一直希望將這種超反射鏡的性能水平擴展到中紅外線（波長從2.5 微米到10 微米，甚至更遠），從而推動與氣候變遷和生物燃料相關的微量氣體感測任務以及雷射加工和奈米製造等工業應用的發展。到目前為止，最好的中紅外線反射鏡大約每10,000 個光子中就會損失1 個，比近紅外線差33 倍。

國際合作帶來突破

如同發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上的文章所述，來自Thorlabs 晶體解決方案公司（加州聖塔芭芭拉）、奧地利維也納大學克里斯蒂安-多普勒中紅外光譜實驗室、美國國家標準與技術研究院（NIST）和瑞士納沙泰爾大學的研究人員進行了一項國際合作，現已展示出第一塊真正的中紅外線超反射鏡。這些鏡子在100 萬個光子中只損失8 個光子，反射率達99.99923%。要達到如此高的反射率，需要對材料、鏡面設計和製造流程的綜合掌握。

帶有單晶砷化鎵/砷化鎵模片的圖案化四英寸砷化鎵晶片，這些模片最終將熔融結合到塗有塗層的矽基板上。圖片來源：Georg Winkler

鏡面鍍膜的新範例

為了實現第一代中紅外線（MIR）超級反射鏡，研究人員構思並展示了一個新的鍍膜範例。他們將傳統的薄膜鍍膜技術與新型半導體材料和方法結合，克服了具有挑戰性的中紅外線區域的材料限制。

Thorlabs 晶體解決方案團隊的技術經理加勒特-科爾（Garrett Cole）說：「這項工作建立在我們在基底轉移晶體塗層方面的開創性努力之上。我們的國際合作將這一平台擴展到了更長的波長，首次展示了一種中紅外線鍍膜方法，其不良吸收和散射損耗低於百萬分之五。”

分子束外延是一種用於製造多種不同半導體裝置的先進工藝，這些反射鏡利用分子束外延的極高純度和出色的結構質量，生產出吸收和散射幾乎可以忽略不計的單晶砷化鎵/砷化鎵多層膜。然後，利用先進的微加工技術（包括直接”融合”到納沙泰爾大學沉積的高品質傳統非晶薄膜干涉塗層上）將這種初始材料轉化為高性能反射鏡。

製造這些突破性的反射鏡只是挑戰的一半。科學家還需要有條不紊地測量反射鏡，以證明其卓越的性能。Thorlabs Crystalline Solutions 公司的首席科學家Gar-Wing Truong 說：”這是一個龐大的團隊努力的結果，我們匯集了各種設備和專業知識，最終顯示出低至百萬分之7.7 的總損耗，這比以前任何傳統的近紅外線鍍膜技術都要好6 倍。

共同第一作者、維也納大學科學家盧卡斯-佩爾納（Lukas Perner）補充說：”作為這種新型鍍膜模式的共同發明人，對這些鏡子進行測試既令人興奮，又很有意義。我們在創新反射鏡技術和先進表徵方法方面的共同努力，使我們得以展示這些反射鏡的卓越性能，在中近紅外線領域開闢了新天地。”

對環境感測和光譜學的影響

這些新型中紅外線超反射鏡的一個直接應用是大大提高用於測量微量氣體的光學設備的靈敏度。這些設備稱為空腔降環光譜儀（CRDS），可以檢測和量化微量的重要環境標記物，如一氧化碳。研究小組求助於NIST 的研究化學家Adam Fleisher 和Michelle Bailey，他們長期從事這項技術的研究。在對這些鏡子進行測試的概念驗證實驗中，弗萊舍和貝利表明，這些鏡子的性能已經超過了最先進的鏡子。

Bailey說：「低損耗反射鏡使得在小型設備中實現超長光路長度成為可能–在這種情況下，就好比把費城到紐約市的距離壓縮到了一米的跨度。這是在中紅外光譜範圍內進行超靈敏光譜分析的一個關鍵優勢，包括測量對核鑑識和碳年代測定非常重要的放射性同位素。”

編譯來源：ScitechDaily