一種新型光學(xué)超級(jí)反射鏡的制造方法

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，由維也納大學(xué)、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)協(xié)會(huì)（NIST）、Thorlabs以及堪薩斯大學(xué)共同參與的研究項(xiàng)目，開發(fā)出一種新型光學(xué)超級(jí)反射鏡的制造方法，這將促進(jìn)多種光子學(xué)應(yīng)用的發(fā)展。

超級(jí)反射鏡是一種具備超高反射率且超低光學(xué)損耗的反射鏡組件，其性能通常通過特殊的表面涂層或處理來實(shí)現(xiàn)。

Thorlabs現(xiàn)有的晶體超級(jí)反射鏡系列，據(jù)說在近紅外波段的反射率超過99.99%，主要使用分子束外延制造而成，專為光學(xué)原子鐘等應(yīng)用而設(shè)計(jì)。

這種反射鏡技術(shù)在提高觀測(cè)引力波的激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）的靈敏度方面也發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

近日，維也納大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)正在著手開發(fā)一種新型制造方法，使高效的超級(jí)反射鏡適用于中紅外波段成為可能，為此類組件在傳感和生物光子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了道路，而在這些領(lǐng)域，拓寬波長(zhǎng)范圍至關(guān)重要。該研究成果以“Mid-infrared interference coatings with excess optical loss below 10??ppm”為題發(fā)表于Optica，論文鏈接為：https://doi.org/10.1364/OPTICA.405938。

“低損耗反射鏡是諸多不同研究領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)?！本S也納基督教多普勒實(shí)驗(yàn)室中紅外光譜和半導(dǎo)體光學(xué)負(fù)責(zé)人Oliver Heck表示，“該技術(shù)是癌癥診斷和引力波探測(cè)等多種研究領(lǐng)域的紐帶?！?/p>

在Thorlabs現(xiàn)有組件中采用的外延層轉(zhuǎn)移工藝已成為一種公認(rèn)技術(shù)，用于在基底晶圓上創(chuàng)建單晶異質(zhì)結(jié)構(gòu)以便隨后轉(zhuǎn)移到曲面襯底上。

然而，該研究項(xiàng)目在其發(fā)表的論文中指出，在實(shí)踐中“將單晶涂層的性能進(jìn)一步擴(kuò)展到紅外光譜并非易事”。雖然原型研究的中紅外反射鏡已經(jīng)通過這種方法制造出來，并有助于大氣化學(xué)動(dòng)力學(xué)的研究，但其光學(xué)損耗卻受到“20到30微米過厚多層外延層中結(jié)構(gòu)缺陷引起的過度散射”的不利影響。

氣體分析達(dá)到了前所未有的準(zhǔn)確性

為了尋求一種替代方法，該研究項(xiàng)目開發(fā)了一種全新的光學(xué)涂層技術(shù)，這是首次嘗試為4微米左右波長(zhǎng)制造的晶體高反射率涂層。

解決方案主要為：減少單一外延步驟中制造的表面結(jié)構(gòu)的厚度，取而代之使用堆疊光學(xué)涂層，以高純度GaAs/AlGaAs干涉涂層創(chuàng)建兩個(gè)“半反射鏡”結(jié)構(gòu)，然后將它們鍵合在彎曲的硅光襯底上。

原型反射鏡結(jié)構(gòu)圖

減薄單次沉積過程中產(chǎn)生的材料厚度，可改善該層的光學(xué)質(zhì)量，進(jìn)而減少由于低表面和界面粗糙度造成的散射損耗。當(dāng)將兩個(gè)高質(zhì)量半結(jié)構(gòu)鍵合到一起時(shí)，最終的超級(jí)反射鏡的性能就得到了適當(dāng)?shù)奶嵘?/p>

在試驗(yàn)中，以這種方法制造的超級(jí)反射鏡展示了“創(chuàng)紀(jì)錄的超低光學(xué)損耗”：當(dāng)波長(zhǎng)為4.54微米時(shí)，損耗率低于百萬分之十；據(jù)該研究項(xiàng)目報(bào)道，這是“迄今為止適應(yīng)波長(zhǎng)最長(zhǎng)的超級(jí)反射鏡”。

通過對(duì)新組件的仔細(xì)研究，揭示了之前未知的偏振相關(guān)吸收效應(yīng)，這本身能夠提供一種進(jìn)一步改善超級(jí)反射鏡并優(yōu)化光譜范圍和反射率的途徑。

該研究最終目標(biāo)之一是擴(kuò)大反射鏡的光譜范圍，使其能夠有效地與光頻率梳共同使用，光頻率梳通常用于傳感應(yīng)用中的化學(xué)指紋特征的檢測(cè)。

“這將促使特別復(fù)雜的氣體混合物分析具備前所未有的準(zhǔn)確性?！痹撗芯宽?xiàng)目團(tuán)隊(duì)評(píng)論道。

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