Ein Streben nach Perfektion: Durchbruch in der Mittelinfrarot-Spiegeltechnologie erreicht ein beispielloses Reflexionsvermögen von 99,99923%

von Santiago Fernandez
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Mid-infrared supermirrors

In einer internationalen Zusammenarbeit, die auf den Seiten von Nature Communications beschrieben wird, wurde ein bemerkenswerter Meilenstein im Bereich der Spiegeltechnologie erreicht. Forscher aus den Vereinigten Staaten, Österreich und der Schweiz haben erfolgreich Pionierarbeit bei der Entwicklung von Mittelinfrarot-Superspiegeln mit einem erstaunlichen Reflexionsvermögen von 99,99923% geleistet. Diese Errungenschaft wird die Messung von Umweltgasen und industriellen Prozessen revolutionieren und einen monumentalen Fortschritt auf dem Gebiet der Spiegel bedeuten. Bildnachweis: SciTechPost.com

Höhere Präzision bei Infrarotspiegeln für Umwelt- und Industrieanwendungen

Ein multinationales Team von Wissenschaftlern aus den USA, Österreich und der Schweiz hat eine bahnbrechende Entwicklung bei Superspiegeln im mittleren Infrarotbereich eingeführt. Diese Superspiegel sind in verschiedenen Bereichen von immenser Bedeutung, einschließlich der optischen Spektroskopie für die Umweltsensorik und Anwendungen wie Laserschneiden und -schweißen für die industrielle Fertigung.

Nahezu perfekte Reflexionsfähigkeit erreichen

Im Bereich der Hochleistungsspiegel ist das Streben nach Perfektion ein dauerhaftes Streben. Im sichtbaren Spektrum erreichen moderne Metallspiegel Reflexionsraten von bis zu 99%, was den Verlust von lediglich einem Photon pro 99 reflektierten Photonen bedeutet. Obwohl diese Leistung tatsächlich beeindruckend ist, haben Spiegelbeschichtungen im Nahinfrarotspektrum bereits ein außergewöhnliches Reflexionsvermögen von 99,9997% gezeigt, wobei von jeder Million reflektierter Photonen nur drei verloren gehen.

Das Ziel besteht seit langem darin, die Leistung dieses Superspiegels auf den mittleren Infrarotbereich auszudehnen, der Wellenlängen von 2,5 µm bis 10 µm und darüber hinaus abdeckt. Diese Erweiterung verspricht eine Verbesserung der Spurengaserkennung im Zusammenhang mit Klimawandel und Biokraftstoffen sowie die Verbesserung industrieller Anwendungen wie Laserbearbeitung und Nanofabrikation. Bisher hinken Spiegel im mittleren Infrarotbereich hinterher und verlieren etwa jedes 10.000 Photon, was etwa 33-mal weniger effizient ist als ihre Gegenstücke im nahen Infrarotbereich.

Internationale Zusammenarbeit bringt Durchbruch

Wie in dem in Nature Communications veröffentlichten Artikel erläutert, ist ein internationales Konsortium von Forschern von Thorlabs' Crystalline Solutions in Santa Barbara, Kalifornien, dem Christian Doppler Laboratory for Mid-Infrared Spectroscopy an der Universität Wien in Österreich, dem US National Institute of Standards und Technology (NIST) und die Universität Neuchâtel in der Schweiz haben mit der Einführung der weltweit ersten echten Mittelinfrarot-Superspiegel einen bedeutsamen Meilenstein erreicht. Diese Superspiegel verlieren nur acht Photonen von jeder Million und erreichen ein außergewöhnliches Reflexionsvermögen von 99,99923%. Um ein solch beispielloses Reflexionsvermögen zu erreichen, war eine Kombination aus Fachwissen in den Bereichen Materialien, Spiegeldesign und Herstellungstechniken erforderlich.

Ein neuartiger Ansatz für Spiegelbeschichtungen

Um diese bahnbrechende Generation von Mittelinfrarot-Superspiegeln zu realisieren, hat das Forschungsteam einen neuartigen Ansatz für Beschichtungen entwickelt und demonstriert. Sie kombinierten auf raffinierte Weise herkömmliche Dünnschichtbeschichtungsmethoden mit innovativen Halbleitermaterialien und -techniken, um die inhärenten Herausforderungen des mittleren Infrarotspektrums zu meistern.

Garrett Cole, der Technologiemanager des Crystalline Solutions-Teams von Thorlabs, erklärte: „Dieses Unterfangen baut auf unserer bahnbrechenden Arbeit im Bereich substratübertragener kristalliner Beschichtungen auf. Durch die Ausweitung dieser Plattform auf längere Wellenlängen ist unsere internationale Zusammenarbeit die erste, die eine Beschichtungsmethode für den mittleren Infrarotbereich vorgestellt hat, die sich durch Absorptions- und Streuverluste von weniger als 5 Teilen pro Million auszeichnet.“

Mithilfe der herausragenden Strukturqualität der Molekularstrahlepitaxie, einem hochentwickelten Prozess, der bei der Herstellung verschiedener Halbleiterbauelemente eingesetzt wird, erzeugten die Forscher monokristalline GaAs/AlGaAs-Mehrfachschichten, die praktisch frei von Absorption und Streuung sind. Dieses Ausgangsmaterial wurde anschließend mithilfe fortschrittlicher Mikrofabrikationstechniken, einschließlich direkter „Fusions“-Verbindung auf hochwertige, herkömmliche nichtkristalline Dünnfilm-Interferenzbeschichtungen, die an der Universität Neuenburg entwickelt wurden, in Hochleistungsspiegel umgewandelt.

Präzise Messungen bestätigen überlegene Leistung

Die Herstellung dieser bahnbrechenden Spiegel war nur die halbe Herausforderung. Um ihre überlegene Leistung zu bestätigen, waren strenge Messungen unerlässlich. Gar-Wing Truong, der leitende Wissenschaftler bei Thorlabs Crystalline Solutions, bemerkte: „Es war eine immense gemeinsame Anstrengung, die erforderliche Ausrüstung und das erforderliche Fachwissen zusammenzustellen, um Gesamtverluste von nur 7,7 Teilen pro Million schlüssig nachzuweisen, ein Wert, der sechsmal höher ist als bei herkömmlichen Verfahren bisher erreichte Beschichtungstechnik im mittleren Infrarotbereich.“

Lukas Perner, Co-Hauptautor und Wissenschaftler an der Universität Wien, fügte hinzu: „Als Miterfinder dieses innovativen Beschichtungsparadigmas war es sowohl spannend als auch erfreulich, diese Superspiegel strengen Tests zu unterziehen.“ Unsere gemeinsamen Bemühungen um bahnbrechende Spiegeltechnologie und den Einsatz fortschrittlicher Charakterisierungsmethoden haben in der Enthüllung ihrer außergewöhnlichen Leistung gipfelt und eine neue Ära im mittleren Infrarotspektrum eingeläutet.“

Auswirkungen auf die Umweltsensorik und Spektroskopie

Eine unmittelbare Anwendung dieser innovativen Mittelinfrarot-Superspiegel ist ihr Potenzial, die Empfindlichkeit optischer Geräte zur Messung von Spurenmengen von Gasen erheblich zu steigern. Cavity-Ringdown-Spektrometer (CRDS), die in der Lage sind, kleinste Mengen kritischer Umweltmarker wie Kohlenmonoxid zu erkennen und zu quantifizieren, werden von diesem Fortschritt enorm profitieren. In einem Proof-of-Concept-Experiment, bei dem diese Superspiegel strengen Tests unterzogen wurden, stellten die NIST-Forschungschemiker Adam Fleisher und Michelle Bailey ihre überlegene Leistung unter Beweis, die den aktuellen Stand der Technik übertrifft.

Michelle Bailey erklärte: „Verlustarme Spiegel ermöglichen die Erzielung bemerkenswert erweiterter optischer Weglängen in kompakten Geräten.“ In diesem Zusammenhang ist es so, als würde man die Entfernung zwischen Philadelphia und NYC auf einen einzigen Meter komprimieren. Dies stellt einen entscheidenden Vorteil für die hochempfindliche Spektroskopie im mittleren Infrarotspektrum dar, einschließlich der Messung von Radioisotopen, die in der nuklearen Forensik und Kohlenstoffdatierung von Bedeutung sind.“

Referenz: „Mittelinfrarot-Superspiegel mit einer Finesse von mehr als 400 000“ von Gar-Wing Truong, Lukas W. Perner, D. Michelle Bailey, Georg Winkler, Seth B. Cataño-Lopez, Valentin J. Wittwer, Thomas Südmeyer, Catherine Nguyen, David Follman, Adam J. Fleisher, Oliver H. Heckl und Garrett D. Cole, 6. Dezember 2023, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-023-43367-z

Häufig gestellte Fragen (FAQs) zu Superspiegeln im mittleren Infrarotbereich

Welche Bedeutung hat es, bei Superspiegeln im mittleren Infrarotbereich ein Reflexionsvermögen von 99,99923% zu erreichen?

Das Erreichen eines Reflexionsvermögens von 99,99923% in Mittelinfrarot-Superspiegeln ist von großer Bedeutung, da es eine verbesserte Präzision bei der Messung von Umweltgasen und industriellen Anwendungen ermöglicht. Diese Superspiegel ermöglichen genauere Messungen von Spurengasen im Zusammenhang mit Klimawandel und Biokraftstoffen sowie eine verbesserte Leistung bei Aufgaben wie Laserbearbeitung und Nanofabrikation.

Wie ist das Reflexionsvermögen im mittleren Infrarot im Vergleich zu anderen Spiegeltechnologien?

Das Reflexionsvermögen im mittleren Infrarotbereich von 99,99923% stellt einen erheblichen Fortschritt in der Spiegeltechnologie dar. Im Vergleich dazu verlieren herkömmliche Spiegel im mittleren Infrarotbereich typischerweise etwa 1 von 10.000 Photonen. Das Erreichen eines nahezu perfekten Reflexionsvermögens im mittleren Infrarotspektrum war lange Zeit eine Herausforderung, und dieser Durchbruch übertrifft bisherige Fähigkeiten um ein Vielfaches.

Was macht diese Mittelinfrarot-Superspiegel einzigartig?

Diese Mittelinfrarot-Superspiegel zeichnen sich durch ihren innovativen Beschichtungsansatz aus, der herkömmliche Dünnschichtbeschichtungstechniken mit fortschrittlichen Halbleitermaterialien und -methoden kombiniert. Diese Fusion von Technologien überwindet die inhärenten Einschränkungen des mittleren Infrarotspektrums und führt zu Superspiegeln mit beispiellosem Reflexionsvermögen.

Welche praktischen Anwendungen können von diesen Superspiegeln profitieren?

Diese Superspiegel haben unmittelbare Anwendungsmöglichkeiten bei der Verbesserung der Empfindlichkeit optischer Geräte zur Messung von Spurenmengen von Gasen, insbesondere in der Umweltsensorik. Sie können die Leistung von Geräten wie Cavity-Ringdown-Spektrometern (CRDS) verbessern und die Erkennung und Quantifizierung winziger Mengen wichtiger Umweltmarker wie Kohlenmonoxid ermöglichen. Darüber hinaus haben sie potenzielle Anwendungen in Bereichen wie der Nuklearforensik und der Kohlenstoffdatierung.

Wer waren die wichtigsten Mitarbeiter dieser Forschung?

Dieser Durchbruch bei Superspiegeln im mittleren Infrarotbereich wurde durch eine internationale Zusammenarbeit mit Forschern verschiedener Institutionen erreicht, darunter Crystalline Solutions von Thorlabs in Santa Barbara, Kalifornien, das Christian Doppler Laboratory for Mid-Infrared Spectroscopy an der Universität Wien in Österreich und das US National Institute of Standards and Technology (NIST) und der Universität Neuenburg in der Schweiz. Ihr kombiniertes Fachwissen in den Bereichen Materialien, Spiegeldesign und Herstellungsverfahren spielte eine entscheidende Rolle für den Erfolg dieses Projekts.

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5 Kommentare

JournO Guy Dezember 25, 2023 - 7:19 am

Durchbruch! Spiegel @99,99923% Reflexionsvermögen? Wow! Umweltsensorik und Branchen-Gamechanger. #SuperCool

Antwort
FinExpert42 Dezember 25, 2023 - 8:11 am

Präzisere Gaserkennung? Kohlenmonoxid? Eine große Sache! Reflexionsfähigkeit in der Spiegelwelt ist wichtig!

Antwort
CarLover123 Dezember 25, 2023 - 5:37 pm

Spiegeltechniker gehen überall hin, Laserkram auch! verrückte wissenschaftliche Worte _xD83E__xDD2F_

Antwort
PolTalker Dezember 25, 2023 - 11:35 pm

Internationale Zusammenarbeit FTW! Weltverändernde Dinge passieren, wenn Leute zusammenarbeiten! _xD83C__xDF0D_✌️

Antwort
CryptoEconPol Dezember 26, 2023 - 1:59 am

Moment, mittleres Infrarot besser als nahes Infrarot? Das ist verrückt! Wissenschaft rockt!

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