07.12.2023

Superspiegel für den mittleren Infrarot-Bereich

Schlüsseltechnologie für Spektroskopie von Treibhausgasen und Industrielaser zum Schneiden und Schweißen..

Im sichtbaren Wellenlängenbereich erreichen fortschrittliche Metallspiegel eine Reflektivität von bis zu 99 Prozent, für 99 reflektierte Photonen geht also nur ein Photon verloren. Das mag schon viel erscheinen, aber im nahen Infrarot-Bereich haben spezialisierte Spiegelbeschichtungen bereits ein Reflexionsvermögen von 99,9997 Prozent erreicht. So gehen von einer Million reflektierter Photonen nur noch drei verloren. Seit langem besteht der Wunsch, diese Superspiegel-Technologie auf das mittlere Infrarot auszudehnen. Das würde bedeutende Fortschritte in vielen Bereichen erlauben. Zum Beispiel bei der Messung von Spurengasen, die im Zusammenhang mit dem Klimawandel stehen, aber auch bei der Analyse von Bio-Treibstoffen. Außerdem könnten viele industrielle und medizinische Anwendungen verbessert werden, zum Beispiel Schneidlaser und Laserskalpelle. Bislang verlieren die besten Spiegel für das mittlere Infrarot jedoch eins von zehntausend Photonen, sind also etwa 33 Mal schlechter als die Superspiegel im nahen Infrarot.

Abb.: Diese hochreflektiven kristallinen Halbleiterstrukturen wachsen zunächst...
Abb.: Diese hochreflektiven kristallinen Halbleiterstrukturen wachsen zunächst auf zehn Zentimeter großen Galliumarsenid-Wafern und dann in kleinere, runde Spiegel unterteilt.
Quelle: G. Winkler, U. Wien

Einem internationalen Team von Wissenschaftlern ist es jetzt gelungen, erstmals Superspiegel für den mittleren Infrarot-Bereich herzustellen. Unter der Führung des Christian-Doppler-Labors für Mid-Infrared Spectroscopy and Semiconductor Optics der Uni Wien und des Industriepartners Thorlabs Crystalline Solutions in Santa Barbara, Kalifornien, konnten die Forscher Spiegel zeigen, die nur acht von einer Million Photonen verlieren. Damit erreichen diese Superspiegel eine Reflektivität von 99,99923 Prozent. Um diesen Rekord zu erzielen, mussten die Forscher die Materialien, das Spiegeldesign, sowie das Herstellungsverfahren genau analysieren und kontrollieren.

Zunächst mussten die Forscher ein neues Beschichtungsverfahren entwickeln. Dabei kombinierten sie herkömmliche Dünnschicht-Beschichtungstechniken mit neuartigen Halbleitermaterialien und -methoden. Das ermöglichte es, die Materialbeschränkungen im schwierigen mittleren Infrarotbereich zu überwinden. Die Herstellung war jedoch nur ein Teil der Herausforderung. Die Wissenschaftler mussten die Spiegel auch genau vermessen, um ihre Leistung zweifelsfrei zu belegen.

Eine unmittelbare Anwendung dieser neuartigen Superspiegel besteht darin, die Empfindlichkeit optischer Geräte für die Gasanalyse im mittleren Infrarot entscheidend zu verbessern. Diese Geräte können winzige Mengen wichtiger Umweltmarker, wie Kohlenmonoxid, detektieren und genau quantifizieren. Um diese Möglichkeiten zu demonstrieren, zog das Team Experten des National Institute of Standards And Technology hinzu. Diese bestätigten im Rahmen der Studie den entscheidenden Vorteil für die ultraempfindliche Spektroskopie im mittleren Infrarot-Bereich, einschließlich der Messung von Radioisotopen, die für die nukleare Forensik und die Kohlenstoffdatierung wichtig sind.

U. Wien /RK


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