一种新型光学超级反射镜的制造方法

据麦姆斯咨询报道，由维也纳大学、美国国家标准与技术协会（NIST）、Thorlabs以及堪萨斯大学共同参与的研究项目，开发出一种新型光学超级反射镜的制造方法，这将促进多种光子学应用的发展。

超级反射镜是一种具备超高反射率且超低光学损耗的反射镜组件，其性能通常通过特殊的表面涂层或处理来实现。

Thorlabs现有的晶体超级反射镜系列，据说在近红外波段的反射率超过99.99%，主要使用分子束外延制造而成，专为光学原子钟等应用而设计。

这种反射镜技术在提高观测引力波的激光干涉引力波天文台（LIGO）的灵敏度方面也发挥了关键作用。

近日，维也纳大学领导的研究团队正在着手开发一种新型制造方法，使高效的超级反射镜适用于中红外波段成为可能，为此类组件在传感和生物光子学领域的应用开辟了道路，而在这些领域，拓宽波长范围至关重要。该研究成果以“Mid-infrared interference coatings with excess optical loss below 10  ppm”为题发表于Optica，论文链接为：https://doi.org/10.1364/OPTICA.405938。

“低损耗反射镜是诸多不同研究领域的关键技术。”维也纳基督教多普勒实验室中红外光谱和半导体光学负责人Oliver Heck表示，“该技术是癌症诊断和引力波探测等多种研究领域的纽带。”

在Thorlabs现有组件中采用的外延层转移工艺已成为一种公认技术，用于在基底晶圆上创建单晶异质结构以便随后转移到曲面衬底上。

然而，该研究项目在其发表的论文中指出，在实践中“将单晶涂层的性能进一步扩展到红外光谱并非易事”。虽然原型研究的中红外反射镜已经通过这种方法制造出来，并有助于大气化学动力学的研究，但其光学损耗却受到“20到30微米过厚多层外延层中结构缺陷引起的过度散射”的不利影响。

气体分析达到了前所未有的准确性

为了寻求一种替代方法，该研究项目开发了一种全新的光学涂层技术，这是首次尝试为4微米左右波长制造的晶体高反射率涂层。

解决方案主要为：减少单一外延步骤中制造的表面结构的厚度，取而代之使用堆叠光学涂层，以高纯度GaAs/AlGaAs干涉涂层创建两个“半反射镜”结构，然后将它们键合在弯曲的硅光衬底上。

原型反射镜结构图

减薄单次沉积过程中产生的材料厚度，可改善该层的光学质量，进而减少由于低表面和界面粗糙度造成的散射损耗。当将两个高质量半结构键合到一起时，最终的超级反射镜的性能就得到了适当的提升。

在试验中，以这种方法制造的超级反射镜展示了“创纪录的超低光学损耗”：当波长为4.54微米时，损耗率低于百万分之十；据该研究项目报道，这是“迄今为止适应波长最长的超级反射镜”。

通过对新组件的仔细研究，揭示了之前未知的偏振相关吸收效应，这本身能够提供一种进一步改善超级反射镜并优化光谱范围和反射率的途径。

该研究最终目标之一是扩大反射镜的光谱范围，使其能够有效地与光频率梳共同使用，光频率梳通常用于传感应用中的化学指纹特征的检测。

“这将促使特别复杂的气体混合物分析具备前所未有的准确性。”该研究项目团队评论道。

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