Forscher verbesserten Infrarot-Spiegel für Treibhausgasmessung und Co
In Hightech-Messgeräten, mit denen etwa kleinste Spuren an Treibhausgasen optisch nachgewiesen werden können (Spektroskopie), braucht es Spiegel, die Licht möglichst verlustfrei reflektieren. In einigen Frequenzbereichen erreicht man bereits erstaunliche Werte - nicht jedoch im mittleren Infrarot(MIR)-Bereich. Ein Forscherteam aus Wien und dem US-Bundesstaat Kalifornien stellt nun im Fachmagazin "Nature Communications" den ersten "Superspiegel" für dieses Lichtsegment vor.
Mit speziellen Beschichtungen können heutzutage bereits richtige Hochleistungsspiegel hergestellt werden. Mit neuartigen Metallspiegeln geht im sichtbaren Wellenlängenbereich im Durchschnitt nur eines von 100 Lichtteilchen verloren. Im nahen Infrarotbereich schafft man es, diesen Wert noch deutlich weiter nach unten zu schrauben: Hier beträgt der Photonenverlust nur noch drei von einer Million. Das entspricht einem Reflexionsvermögen von 99,9997 Prozent, wie es am Mittwoch in einer Aussendung der Universität Wien heißt.
Im mittleren Infrarot-Bereich - darunter versteht man in der Regel Frequenzen von 2,5 bis zehn Mikrometer (Millionstel Meter) - ist man von solchen Werten allerdings noch etwas entfernt. Die besten bisherigen MIR-Spiegel verlieren laut den Wissenschaftern in etwa eines von 10.000 Photonen. Das erscheint wenig, sei aber eine Einschränkung für das besonders exakte Messen von kleinsten Spuren von Gasen wie Kohlenmonoxid oder die Analyse diverser anderer Verbindungen.
Salopp ausgedrückt, verraten viele Moleküle ihre Anwesenheit in einem Gasgemisch dadurch, dass sich die Frequenzzusammensetzung durch die Wechselwirkung der Photonen mit den Stoffen auf charakteristische Weise minimal verändert. Der mittlere Infrarot-Bereich ist besonders interessant, da dort auch Unterschiede zwischen einander relativ ähnlichen Molekülen gemessen werden können.
"Rekordverdächtig" niedrige Absorptionsrate
Im Rahmen des "Christian Doppler Labors für Mid-IR Spektroskopie und Halbleiteroptik" an der Fakultät für Physik der Universität Wien arbeitet das Team um Oliver Heckl und die beiden Studien-Erstautoren Gar-Wing Truong und Lukas Perner zusammen mit dem Industriepartner Thorlabs Crystalline Solutions aus Santa Barbara (USA) an der Verbesserung von MIR-Spiegeln. Gegründet wurde das Unternehmen vor einigen Jahren als Spin-off der Uni Wien unter dem Namen Crystalline Mirror Solutions (CMS).
In der aktuellen Arbeit konzentrierten sich die Forscher auf die Verbesserung von Spiegeln, die mit speziellen, besonders regelmäßigen Kristallstrukturen beschichtet sind, die für sehr gute Reflexion sorgen. Neben dieser Herangehensweise beschritt man auch neue technologische Wege: So entwickelte man ein Beschichtungsverfahren bei dem die kristalline Schicht auf Halbleitermaterialien aufgebracht wird. Mit diesem "hybriden" Verfahren erzielten die Forscher die besten Resultate, wie sie in ihrer Arbeit darlegen.
So habe man nun eine "rekordverdächtig" niedrige Absorptionsrate erreicht. Der Photonen-Verlust betrage nur noch acht von eine Million Lichtteilchen, wie Analysen zeigten. Das entspricht einer Reflektivität von 99,99923 Prozent, so das Team, das in dem Zusammenhang von einem "Superspiegel" spricht. Die Verbesserungen seien auch für andere Technologiebereiche interessant, wenn es etwa um Industrielaser zum Schweißen und Schneiden, um den Nachweis von Radioisotopen oder die Datierung von Proben mittels Radiokarbonmethode geht, heißt es.
Service: Die Publikation online: https://dx.doi.org/10.1038/s41467-023-43367-z ; Website des CD-Labors: https://cdl-mid-infrared.univie.ac.at