Un esfuerzo de colaboración internacional ha llevado a la creación de los primeros superespejos de infrarrojo medio con una reflectividad excepcional, como se informa en Comunicaciones de la naturaleza. Se espera que esta innovación mejore significativamente la detección de gases ambientales y los procesos industriales, lo que marca un gran salto en la tecnología de espejos. Crédito: SciTechDaily.com
Los espejos infrarrojos avanzados mejoran la investigación sobre el clima y los biocombustibles mediante la detección de precisión de gases traza.
Un equipo internacional de investigadores de Estados Unidos, Austria y Suiza ha demostrado los primeros superespejos verdaderos en la región espectral del infrarrojo medio. Estos espejos son clave para muchas aplicaciones, como la espectroscopia óptica para detección ambiental, así como el corte por láser y la soldadura para la fabricación.
Lograr una reflectividad casi perfecta
En el ámbito de los espejos de alto rendimiento, todo el mundo persigue lo imposible: revestimientos con una reflectividad perfecta. En el rango visible de longitudes de onda (es decir, entre 380 nm y 700 nm), los espejos metálicos avanzados alcanzan reflectividades de hasta el 99%, lo que significa 1
” datos-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]” tabindex=”0″ role=”link”>fotón se pierde por cada 99 reflejados. Esto puede parecer impresionante, pero en la región del infrarrojo cercano (es decir, entre ~780 nm y 2,5 μm), los revestimientos de espejos han demostrado una reflectividad del 99,9997 %, perdiendo sólo 3 fotones de 1 millón reflejados.
Un sustrato de silicio de una pulgada de diámetro recubierto con un recubrimiento de interferencia depositado convencionalmente. Crédito: Valentin Wittwer
Ha habido un deseo de larga data de extender este nivel de rendimiento de superespejo al infrarrojo medio (longitudes de onda de 2,5 µm a 10 µm y más), donde se pueden permitir avances en las tareas de detección de gases traza relacionadas con el cambio climático y los biocombustibles, como así como en aplicaciones industriales como el mecanizado láser y la nanofabricación. Hasta ahora, los mejores espejos del infrarrojo medio pierden aproximadamente 1 de cada 10.000 fotones, o aproximadamente 33 veces más que en el infrarrojo cercano.
La colaboración internacional conduce a un gran avance
Como se describe en el artículo publicado en 
Una oblea de GaAs estampada de cuatro pulgadas con matrices monocristalinas de GaAs/AlGaAs que eventualmente se unirán por fusión a los sustratos de silicio recubiertos. Crédito: Georg Winkler
Nuevo paradigma en revestimientos de espejos
Para realizar esta primera generación de superespejos de infrarrojo medio (MIR), los investigadores han concebido y demostrado un nuevo paradigma en recubrimientos. Combinaron técnicas convencionales de recubrimiento de película fina y nuevos materiales y métodos semiconductores para superar las limitaciones de los materiales en la desafiante región del infrarrojo medio.
Según Garrett Cole, director de tecnología del equipo de soluciones cristalinas de Thorlabs, “este trabajo se basa en nuestros esfuerzos pioneros en recubrimientos cristalinos transferidos por sustrato. Al extender esta plataforma a longitudes de onda más largas, nuestra colaboración internacional es la primera en demostrar un método de recubrimiento MIR con pérdidas de absorción y dispersión indeseables por debajo de 5 partes por millón”.
Estos espejos aprovechan la pureza extrema y la excelente calidad estructural de la epitaxia del haz molecular, un proceso avanzado utilizado para fabricar muchos dispositivos semiconductores diferentes, para producir multicapas monocristalinas de GaAs/AlGaAs con absorción y dispersión insignificantes. Luego, este material de partida se convierte en espejos de alto rendimiento utilizando técnicas avanzadas de microfabricación que incluyen la unión directa por “fusión” sobre un recubrimiento de interferencia de película delgada no cristalina convencional de alta calidad depositado en la Universidad de Neuchâtel.
Medir y demostrar un rendimiento superior
La fabricación de estos espejos innovadores fue sólo la mitad del desafío. Los científicos también tuvieron que medir metódicamente los espejos para demostrar su rendimiento superior. Gar-Wing Truong, científico principal de Thorlabs Crystalline Solutions, dijo: “Fue un tremendo esfuerzo de equipo reunir el equipo y la experiencia para mostrar definitivamente pérdidas totales tan bajas como 7,7 partes por millón, que es 6 veces mejor que lo logrado anteriormente con cualquier técnica de recubrimiento MIR convencional”.
El coautor principal Lukas Perner, científico de la Universidad de Viena, añadió: “Como coinventor de este novedoso paradigma de recubrimiento, fue emocionante y gratificante poner a prueba estos espejos. Nuestros esfuerzos combinados en tecnología de espejos innovadora y métodos de caracterización avanzados nos han permitido demostrar su rendimiento sobresaliente, abriendo nuevos caminos en el MIR”.
Impacto en la detección y espectroscopía ambiental
Una aplicación inmediata de estos novedosos superespejos MIR es mejorar en gran medida la sensibilidad de los dispositivos ópticos que se utilizan para medir trazas de gases. Estos dispositivos, llamados espectrómetros de cavidad anular (CRDS), pueden detectar y cuantificar cantidades minúsculas de importantes marcadores ambientales, como el monóxido de carbono. El equipo recurrió a los químicos investigadores del NIST, Adam Fleisher y Michelle Bailey, que han trabajado durante mucho tiempo con esta técnica. En un experimento de prueba de concepto que puso a prueba estos espejos, Fleisher y Bailey demostraron que los espejos ya superan a los de última generación.
“Los espejos de baja pérdida hacen posible lograr trayectorias ópticas excepcionalmente largas en un dispositivo pequeño; en este caso, es como comprimir la distancia de Filadelfia a Nueva York al lapso de un solo metro”, dijo Bailey. “Esta es una ventaja clave para la espectroscopia ultrasensible en el rango espectral MIR, incluida la medición de radioisótopos que son importantes para la ciencia forense nuclear y la datación por carbono”.
Referencia: “Superespejos de infrarrojo medio con una finura superior a 400 000” por Gar-Wing Truong, Lukas W. Perner, D. Michelle Bailey, Georg Winkler, Seth B. Cataño-Lopez, Valentin J. Wittwer, Thomas Südmeyer, Catherine Nguyen, David Follman, Adam J. Fleisher, Oliver H. Heckl y Garrett D. Cole, 6 de diciembre de 2023. Comunicaciones de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41467-023-43367-z
2023-12-25 06:02:51
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