用于环境科学和医学中痕量气体检测的结晶超级镜

晶体干涉涂层粘合在不同的光学基材上。 图片提供：维也纳大学的乔治·温克勒（Georg Winkler）

通过与业界和研究合作伙伴的国际合作，维也纳大学的物理学家与Thorlabs，美国国家标准技术研究院（NIST）和堪萨斯大学一起，已经首次成功地展示了 与感测相关的中红外波长范围内的高性能激光镜，吸收的光子不到百万分之十。 这些低损耗反射镜采用基于晶体材料的新工艺制造，有望开拓全新的应用领域，例如在光学呼吸气体分析中用于早期癌症检测或温室气体检测。 这项工作将发表在最新一期的《 Optica》杂志上。

2016年，LIGO激光干涉仪的研究人员成功地首次直接观测了引力波，该引力波最初是由阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）在1916年预测的。 一公里长的干涉仪组件的激光镜提供了一年后获得诺贝尔奖的奖励。 为实现极低的光吸收损耗而优化这些反射镜是实现此类测量所需灵敏度的关键进展。 克里斯汀·多普勒中红外光谱学和半导体光学实验室负责人奥利弗·H·赫克尔（Oliver H. Heckl）解释说：“低损耗反射镜是许多不同研究领域的关键技术，它们是癌症诊断等众多研究领域的纽带。 和重力波检测。”

实际上，具有可比性的镜面特性也有望在更实际的应用中取得技术突破。 除其他事项外，这包括灵敏的分子光谱法，即检测混合气体中最小量的物质-基督教多普勒实验室（CDL）的研究重点。 在癌症的早期检测中，可以通过检测患者呼吸中最小浓度的标记分子来找到实例，或者在大型天然气生产系统中精确检测甲烷泄漏，以限制此类气体的贡献。 温室气体对气候变化的影响。

但是，与LIGO的实验不同，此类研究是在可见光谱范围之外，中红外范围内进行的。 在该波长区域（也称为“指纹区域”）中，许多结构相似的分子可以根据其特征吸收线清晰地区分。 因此，光子学界一直希望在这个技术上具有挑战性的波长范围内实现类似的低损耗水平。

合著者乔治·温克勒（Georg Winkler）正在研究一种装置，该装置用于表征真空下的高性能反射镜。 图片提供：维也纳大学的芭芭拉·梅尔（Barbara Mair）

这正是奥利弗·赫克（Oliver H. Heckl）领导的团队目前在国际合作中所取得的成就。 在这种情况下，低损耗意味着新型反射镜仅吸收不到一百万个光子中的十个。 进行比较：市售的浴室镜子会“破坏”大约一万倍的光子，甚至用于顶级研究的镜子也有十到一百倍的高损耗。

通过使用全新的光学涂层技术，可以实现这种巨大的改进：首先，通过外延生长工艺沉积高纯度半导体材料的单晶叠层。然后将这些单晶多层膜通过专有的粘合工艺转移到弯曲的硅光学基板上，从而完成在CDL和NIST上都经过测试的反射镜。这种独特的“结晶涂层”技术是由克里斯多普勒实验室的工业合作伙伴Thorlabs Crystalline Solutions开发和实施的。该公司最初是由Garrett Cole和Markus Aspelmeyer从维也纳大学分拆出来的，于2013年以Crystalline Mirror Solutions（CMS）的名称成立。 CMS于2019年12月被Thorlabs Inc.收购。在联邦数字和经济事务部的支持下，通过基督教多普勒研究协会（CDG）的国际独特模式，促进了面向应用的行业合作得以实现基础研究。美国马里兰州盖瑟斯堡国家标准与技术研究院（NIST）的亚当·弗莱舍（Adam Fleisher）领导的研究小组以精密测量着称，在这一成功中也发挥了关键作用。这项研究的合著者Georg Winkler表达了他的热情：“精确的测量技术不仅仅只是脚手架。只要您能仔细观察一个数量级，您通常会发现全新的现象，只需思考一下显微镜和望远镜的发明就可以了！”

实际上，这种评估已经在新型反射镜本身的详细表征中得到了证实，当时堪萨斯大学的合作者Hartwin Peelaers教授在半导体层中发现了以前未知的偏振相关吸收效应，并在理论上进行了探索。 合著者Lukas Perner高兴地说道：“这些结果为进一步改进这些反射镜提供了巨大的机会。”由于损耗极低，我们现在可以进一步优化带宽和反射率。”