Le substrat en silicium de 25 mm de diamètre utilisé pour les supermiroirs. La couche de base conventionnelle déjà appliquée crée une impression de couleur violette. Crédit : Valentin Wittwer
Une équipe internationale de chercheurs autrichiens, américains et suisses a créé les premiers supermiroirs dans le domaine de l'infrarouge moyen. Ces miroirs constituent une technologie clé pour de nombreuses applications, comme la spectroscopie optique des gaz à effet de serre ou les lasers industriels pour le découpage et le soudage. Les résultats ont été récemment publiés dans Communications naturelles .
Dans le domaine des miroirs hautes performances, tout le monde court après l’impossible : des revêtements à la réflectivité parfaite. Dans la gamme de longueurs d'onde visibles (longueurs d'onde comprises entre 380 nm et 700 nm), les miroirs métalliques avancés atteignent une réflectivité allant jusqu'à 99 %, ce qui signifie qu'un photon est perdu pour 99 photons réfléchis. Cela peut sembler beaucoup, mais dans le proche infrarouge (entre environ 780 nm et 2,5 μm), les revêtements miroir spécialisés ont déjà atteint une réflectivité de 99,9997 %. Cela signifie que sur 1 million de photons réfléchis, seuls trois sont perdus.
On souhaite depuis longtemps étendre cette technologie de supermiroir à l’infrarouge moyen (longueurs d’onde de 2,5 µm à 10 µm et au-delà). Cela permettrait des progrès significatifs dans de nombreux domaines, par exemple dans la mesure des gaz traces liés au changement climatique, mais aussi dans l'analyse des biocarburants. De plus, de nombreuses applications industrielles et médicales pourraient être améliorées, comme les lasers de découpe et les scalpels laser. Jusqu’à présent, cependant, les meilleurs miroirs à infrarouge moyen perdent un photon sur 10 000, soit environ 33 fois pire que les supermiroirs à infrarouge proche.
Dans une étude récemment publiée, une équipe internationale de scientifiques a créé les premiers supermiroirs dans l’infrarouge moyen. Sous la direction du laboratoire Christian Doppler pour la spectroscopie infrarouge moyenne et l'optique des semi-conducteurs (CDL Mid-IR) de l'université de Vienne et du partenaire industriel Thorlabs Crystalline Solutions (Santa Barbara, Californie), les chercheurs ont pu créer des miroirs qui ne perdre huit photons sur un million. Cela signifie que ces super miroirs atteignent une réflectivité de 99,99923 %. Pour parvenir à ce record, les chercheurs ont dû analyser et contrôler avec précision les matériaux, la conception du miroir et le processus de fabrication.
Les structures semi-conductrices cristallines hautement réfléchissantes. Ceux-ci sont d’abord cultivés sur des plaquettes d’arséniure de gallium de 10 cm et divisés en miroirs ronds plus petits. Chacun de ces disques ronds est ensuite lié à un substrat préparé pour créer un supermiroir fini. Crédit : Georg Winkler
Nouveau procédé de revêtement développé
Premièrement, les chercheurs ont dû développer un nouveau procédé de revêtement. Ils ont combiné des techniques conventionnelles de revêtement en couches minces avec de nouveaux matériaux et méthodes semi-conducteurs. Cela a permis de surmonter les limitations matérielles dans la région difficile de l’infrarouge moyen. Oliver H. Heckl, responsable du CDL Mid-IR à l'Université de Vienne, a déclaré : « Cette avancée montre l'énorme potentiel d'une collaboration réussie entre la recherche fondamentale innovante et le développement de produits axés sur les besoins. »
Garrett Cole, responsable technologique chez Thorlabs Crystalline Solutions (TCS), explique : « Ce travail s'appuie sur nos travaux pionniers dans le domaine des revêtements cristallins transférés par substrat. »
Cependant, la fabrication ne représentait qu’une partie du défi. Les scientifiques ont également dû mesurer les miroirs avec précision afin de prouver sans aucun doute leurs performances. C'était la tâche principale des deux premiers auteurs, Gar-Wing Truong du TCS et Lukas Perner de l'Université de Vienne, qui déclarent : « En tant que co-inventeurs de cette nouvelle forme de revêtement, c'était passionnant de mettre ces miroirs à l'épreuve. et confirment ainsi leurs performances exceptionnelles.”
Une application immédiate de ces nouveaux supermiroirs consiste à améliorer considérablement la sensibilité des dispositifs optiques pour l’analyse des gaz dans l’infrarouge moyen. Ces appareils peuvent détecter et quantifier avec précision d’infimes quantités de marqueurs environnementaux importants, tels que le monoxyde de carbone.
Pour démontrer ces possibilités, l'équipe a fait appel à des experts du National Institute of Standards and Technology (NIST). Ils ont confirmé l’avantage décisif de la spectroscopie ultrasensible dans la gamme spectrale infrarouge moyenne, y compris la mesure des radio-isotopes importants pour la criminalistique nucléaire et la datation au carbone.
Plus d'information:
Gar-Wing Truong et al, Supermiroirs infrarouge moyen d'une finesse supérieure à 400 000, Communications naturelles (2023). DOI : 10.1038/s41467-023-43367-z
Fourni par l'Université de Vienne
Citation: Des chercheurs créent les premiers supermiroirs dans la gamme infrarouge moyenne (6 décembre 2023) récupéré le 6 décembre 2023 sur
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