Une quête de perfection : une percée dans la technologie des miroirs infrarouges moyens permet d'obtenir une réflectivité sans précédent de 99,99923%

par Santiago Fernández
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Mid-infrared supermirrors

Dans le cadre d'un effort de collaboration international détaillé dans les pages de Nature Communications, une étape remarquable a été franchie dans le domaine de la technologie des miroirs. Des chercheurs des États-Unis, d’Autriche et de Suisse ont été pionniers avec succès dans la création de supermiroirs dans l’infrarouge moyen dotés d’une étonnante réflectivité de 99,99923%. Cette réalisation est sur le point de révolutionner la détection des gaz environnementaux et les processus industriels, ce qui signifie une avancée monumentale dans le domaine des miroirs. Crédit : SciTechPost.com

Améliorer la précision des miroirs infrarouges pour les applications environnementales et industrielles

Une équipe multinationale de scientifiques originaires des États-Unis, d’Autriche et de Suisse a introduit un développement révolutionnaire dans le domaine des supermiroirs infrarouge moyen. Ces supermiroirs revêtent une immense importance dans divers domaines, notamment la spectroscopie optique pour la détection environnementale et des applications telles que la découpe et le soudage au laser pour la fabrication industrielle.

Atteindre la quasi-perfection en matière de réflectivité

Dans le domaine des miroirs hautes performances, la recherche de la perfection est une quête constante. Dans le spectre visible, les miroirs métalliques avancés atteignent des taux de réflectivité aussi élevés que 99%, ce qui signifie la perte d'un seul photon pour 99 photons réfléchis. Bien que cette réalisation soit effectivement impressionnante, dans le spectre proche infrarouge, les revêtements miroir ont déjà démontré une réflectivité extraordinaire de 99,9997%, avec seulement trois photons perdus sur chaque million réfléchi.

L’aspiration a longtemps été d’étendre les performances de ce supermiroir dans la gamme infrarouge moyenne, couvrant des longueurs d’onde de 2,5 µm à 10 µm et au-delà. Cette extension est prometteuse pour améliorer la détection des traces de gaz en relation avec le changement climatique et les biocarburants, ainsi que pour améliorer les applications industrielles telles que l'usinage laser et la nanofabrication. Jusqu’à présent, les miroirs à infrarouge moyen étaient à la traîne, perdant environ un photon sur 10 000, ce qui est environ 33 fois moins efficace que leurs homologues à infrarouge proche.

La collaboration internationale réalise une avancée décisive

Comme l'explique l'article publié dans Nature Communications, un consortium international de chercheurs de Thorlabs' Crystalline Solutions à Santa Barbara, en Californie, du Christian Doppler Laboratory for Mid-Infrared Spectroscopy de l'Université de Vienne en Autriche, de l'Institut national américain des normes et Technology (NIST) et l'Université de Neuchâtel en Suisse ont franchi une étape importante en introduisant les premiers véritables supermiroirs infrarouge moyen au monde. Ces supermiroirs ne perdent que huit photons sur un million, atteignant une réflectivité exceptionnelle de 99,99923%. L’obtention d’une réflectivité aussi inégalée a nécessité une combinaison d’expertise en matière de matériaux, de conception de miroirs et de techniques de fabrication.

Une nouvelle approche des revêtements miroir

Pour réaliser cette génération pionnière de supermiroirs infrarouge moyen, l’équipe de recherche a conçu et démontré une nouvelle approche des revêtements. Ils ont ingénieusement fusionné les méthodes conventionnelles de revêtement de couches minces avec des matériaux et techniques semi-conducteurs innovants pour surmonter les défis inhérents au spectre infrarouge moyen.

Garrett Cole, responsable technologique de l'équipe Crystalline Solutions de Thorlabs, a expliqué : « Cette initiative s'appuie sur notre travail pionnier dans le domaine des revêtements cristallins transférés par substrat. En élargissant cette plateforme à des longueurs d'onde plus longues, notre collaboration internationale est devenue la première à dévoiler une méthode de revêtement dans l'infrarouge moyen caractérisée par des pertes d'absorption et de diffusion inférieures à 5 parties par million.

En tirant parti de la qualité structurelle exceptionnelle de l’épitaxie par jet moléculaire, un processus sophistiqué utilisé dans la fabrication de divers dispositifs semi-conducteurs, les chercheurs ont généré des multicouches GaAs/AlGaAs monocristallins pratiquement dépourvues d’absorption et de diffusion. Ce matériau initial a ensuite été transformé en miroirs hautes performances grâce à des techniques de microfabrication avancées, notamment une liaison directe par « fusion » sur des revêtements interférentiels conventionnels non cristallins en couches minces de haute qualité développés à l'Université de Neuchâtel.

Une mesure précise valide des performances supérieures

La fabrication de ces miroirs révolutionnaires ne représentait que la moitié du défi. Des mesures rigoureuses étaient impératives pour valider leurs performances supérieures. Gar-Wing Truong, scientifique principal chez Thorlabs Crystalline Solutions, a déclaré : « Il s'agissait d'un immense effort de collaboration pour rassembler l'équipement et l'expertise requis afin de démontrer de manière concluante des pertes totales aussi faibles que 7,7 parties par million, un niveau six fois supérieur à n'importe quel système conventionnel. technique de revêtement dans l’infrarouge moyen réalisée jusqu’à présent.

Lukas Perner, co-auteur principal et scientifique à l'Université de Vienne, a ajouté : « En tant que co-inventeur de ce paradigme de revêtement innovant, c'était à la fois passionnant et gratifiant de soumettre ces supermiroirs à des tests rigoureux. Nos efforts collectifs en matière de technologie pionnière des miroirs et d’emploi de méthodes de caractérisation avancées ont abouti au dévoilement de leurs performances extraordinaires, annonçant une nouvelle ère dans le spectre infrarouge moyen.

Implications pour la détection environnementale et la spectroscopie

Une application immédiate de ces supermiroirs innovants dans l’infrarouge moyen est leur potentiel à améliorer considérablement la sensibilité des dispositifs optiques utilisés pour mesurer des traces de gaz. Les spectromètres annulaires à cavité (CRDS), capables de détecter et de quantifier des quantités infimes de marqueurs environnementaux critiques tels que le monoxyde de carbone, devraient énormément bénéficier de ces progrès. Dans une expérience de validation de principe qui a soumis ces supermiroirs à des tests rigoureux, les chercheurs chimistes du NIST, Adam Fleisher et Michelle Bailey, ont démontré leurs performances supérieures, surpassant les technologies de pointe actuelles.

Michelle Bailey a déclaré : « Les miroirs à faible perte facilitent l'obtention de chemins optiques remarquablement étendus au sein d'appareils compacts. Dans ce contexte, cela revient à compresser la distance entre Philadelphie et New York en un seul mètre. Cela constitue un avantage crucial pour la spectroscopie ultra-sensible dans le spectre infrarouge moyen, y compris la mesure des radio-isotopes, qui revêtent une importance dans la criminalistique nucléaire et la datation au carbone.

Référence : « Supermiroirs infrarouge moyen d'une finesse dépassant 400 000 » par 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 et Garrett D. Cole, 6 décembre 2023, Nature Communications.
DOI : 10.1038/s41467-023-43367-z

Foire aux questions (FAQ) sur les supermiroirs à infrarouge moyen

Quelle est l’importance d’atteindre une réflectivité de 99,99923% dans les supermiroirs infrarouge moyen ?

L'obtention d'une réflectivité de 99,99923% dans les supermiroirs infrarouge moyen est très significative car elle permet une précision améliorée dans la détection des gaz environnementaux et les applications industrielles. Ces supermiroirs permettent des mesures plus précises des gaz traces liés au changement climatique et aux biocarburants, ainsi que des performances améliorées dans des tâches telles que l'usinage laser et la nanofabrication.

Comment la réflectivité dans l’infrarouge moyen se compare-t-elle aux autres technologies de miroirs ?

La réflectivité dans l'infrarouge moyen, à 99,99923%, représente un progrès substantiel dans la technologie des miroirs. En comparaison, les miroirs infrarouges moyens conventionnels perdent généralement environ 1 photon sur 10 000. Atteindre une réflectivité quasi parfaite dans le spectre infrarouge moyen constitue depuis longtemps un défi, et cette avancée dépasse de loin les capacités précédentes.

Qu’est-ce qui rend ces supermiroirs infrarouge moyen uniques ?

Ces supermiroirs infrarouge moyen se distinguent par leur approche innovante des revêtements, qui combine les techniques conventionnelles de revêtement en couches minces avec des matériaux et méthodes semi-conducteurs avancés. Cette fusion de technologies surmonte les limitations inhérentes au spectre infrarouge moyen, ce qui donne naissance à des supermiroirs dotés d’une réflectivité sans précédent.

Quelles applications pratiques peuvent bénéficier de ces supermiroirs ?

Ces supermiroirs ont des applications immédiates pour améliorer la sensibilité des dispositifs optiques utilisés pour mesurer des traces de gaz, en particulier dans la détection environnementale. Ils peuvent améliorer les performances de dispositifs tels que les spectromètres à cavité annulaire (CRDS), permettant la détection et la quantification d'infimes quantités de marqueurs environnementaux cruciaux, tels que le monoxyde de carbone. De plus, ils ont des applications potentielles dans des domaines tels que la criminalistique nucléaire et la datation au carbone.

Qui ont été les principaux collaborateurs de cette recherche ?

Cette percée dans le domaine des supermiroirs infrarouge moyen a été réalisée grâce à une collaboration internationale impliquant des chercheurs de diverses institutions, notamment Crystalline Solutions de Thorlabs à Santa Barbara, en Californie, le laboratoire Christian Doppler pour la spectroscopie infrarouge moyen de l'université de Vienne en Autriche, le laboratoire national américain Institute of Standards and Technology (NIST) et Université de Neuchâtel en Suisse. Leur expertise combinée en matière de matériaux, de conception de miroirs et de procédés de fabrication a joué un rôle crucial dans la réussite de ce projet.

En savoir plus sur les supermiroirs infrarouge moyen

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5 commentaires

JourO Guy décembre 25, 2023 - 7:19 am

percée! miroirs @99.99923% réflectivité ? Ouah! Enviro Sensin' et changeur de jeu pour l'industrie. #SuperCool

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FinExpert42 décembre 25, 2023 - 8:11 am

Une détection de gaz plus précise ? Monoxyde de carbone? Une grosse affaire! La réflectivité dans le monde miroir est importante !

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CarLover123 décembre 25, 2023 - 5:37 pm

les techniciens des miroirs vont dans des endroits, des trucs laser aussi ! mots scientifiques fous mais _xD83E__xDD2F_

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PolTalker décembre 25, 2023 - 11:35 pm

Collaboration internationale FTW ! Des choses qui changent le monde se produisent lorsque les gens travaillent ensemble ! _xD83C__xDF0D_✌️

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CryptoEconPol décembre 26, 2023 - 1:59 am

attendez, l'infrarouge moyen est meilleur que le proche infrarouge ? c'est fou ! la science est géniale !

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