第一个中红外波段的超级反射镜

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。

基底转移的单晶干涉涂层的制作过程可以分为以下几个步骤：

首先，选择一种合适的半导体材料，例如GaAs/AlGaAs，作为涂层的材料。这种材料有两个优点：一是它在MIR波段有很低的吸收，二是它可以通过分子束外延（MBE）的方法在一个晶体基底上生长出高质量的单晶薄膜。MBE是一种在超高真空条件下，将不同元素的原子束照射到一个晶体基底上，使其沉积并形成单晶薄膜的技术。通过控制不同元素的比例和沉积的厚度，可以实现不同折射率的材料的交替堆叠，从而形成一个周期性的结构，也就是干涉涂层。

然后，将涂层从基底上剥离，并转移到另一个基底上。这一步的目的是消除原始基底的透射，因为原始基底的透射率通常比涂层的反射率高得多，会导致光的损失。为了实现涂层的剥离，作者使用了一种叫做离子切割（ion-cut）的技术。离子切割的原理是，在涂层的生长过程中，在一个特定的深度处注入氢离子，形成一个高浓度的氢层。然后，将涂层加热到一定的温度，使得氢层内的氢原子聚集成气泡，从而在涂层内部形成一个裂缝，将涂层分成两部分。这样，就可以将涂层的上半部分从基底上剥离，而不会破坏涂层的结构和质量。

最后，将剥离的涂层转移到一个新的基底上，形成一个基底转移的单晶干涉涂层。这一步的目的是提供一个机械稳定和光学透明的支撑结构，以及一个方便的安装接口。为了实现涂层的转移，作者使用了一种叫做粘接（bonding）的技术。粘接的原理是，在涂层和新基底的表面涂上一层有机胶，然后将它们紧密地贴合在一起，形成一个牢固的连接。这样，就可以将涂层和新基底作为一个整体来处理，而不会影响涂层的光学性能。

通过这样的过程，作者制作出了基底转移的单晶干涉涂层，并用它们来组成一个MIR光学腔。作者测量了光学腔的反射率和精细度，发现它们分别达到了99.9994%和40万，创造了MIR波段的新纪录。作者还用这个光学腔来进行了一项MIR光谱学的实验，证明了它的优越性和应用潜力。