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第一个中红外波段的超级反射镜

科学探索万象经验2023-12-07

中红外(MIR)是指波长在3-30微米之间的电磁辐射。这个波段包含了许多分子的振动和转动谱线,因此对于气体传感和精密光谱学有着重要的应用。例如,我们可以利用MIR光谱来探测大气中的温室气体,监测工业过程中的有害排放,分析呼吸气体中的生物标志物,或者验证生物燃料和塑料的来源。

为了提高MIR光谱的灵敏度和分辨率,我们需要使用光学腔来增强光路长度和光强度。光学腔是由两个或多个反射镜组成的装置,可以让光在其中多次反射,形成稳定的驻波模式。光学腔的性能主要取决于反射镜的反射率,也就是每次反射时有多少光被反射回来,而不是被透射或吸收。反射率越高,光在腔内的存活时间越长,光学腔的精细度(finesse)也就越高。精细度是指光学腔的谐振峰的宽度和间距的比值,它反映了光学腔的品质因子(Q factor)和光谱选择性。

在可见光和近红外(NIR)波段,已经有了反射率高达99.9998%的反射镜,使得光学腔的精细度超过了100万。然而,在MIR波段,这样的高性能反射镜却很少见,因为制作MIR反射镜的材料和技术都比较有限。目前,最常用的MIR反射镜是基于多层薄膜的干涉涂层,它们由不同折射率的材料交替堆叠在一个基底上,形成一个周期性的结构,可以增强或抑制特定波长的反射。然而,这种涂层的反射率受到基底的透射率和涂层的吸收和散射的限制,通常只能达到99.9%左右,对应的光学腔的精细度也只有几千。

那么,如何制作出反射率更高的MIR反射镜呢?这就是最近一篇论文的主要贡献。论文的作者提出了一种新的MIR反射镜的设计和制作方法,称为基底转移的单晶干涉涂层。这种反射镜的原理和多层薄膜的干涉涂层类似,但是它使用了一种特殊的材料和技术,可以大大降低基底的透射率和涂层的吸收和散射,从而实现了反射率高达99.9994%的MIR超镜,以及精细度超过40万的光学腔。这是MIR波段的一个重大突破,将为MIR光谱学的应用带来新的可能性。