如何制作出反射率更高的MIR反射鏡？

中紅外（MIR）波段包含了許多分子的振動和轉動譜線，對于氣體傳感和精密光譜學有著重要的應用。為了提高MIR光譜的靈敏度和分辨率，需要利用高反射率的反射鏡來制作光學腔。本文介紹了一種新的MIR反射鏡的設計和制作方法，制作出反射率更高的MIR反射鏡。

中紅外（MIR）是指波長在3-30微米之間的電磁輻射。這個波段包含了許多分子的振動和轉動譜線，因此對于氣體傳感和精密光譜學有著重要的應用。例如，我們可以利用MIR光譜來探測大氣中的溫室氣體，監(jiān)測工業(yè)過程中的有害排放，分析呼吸氣體中的生物標志物，或者驗證生物燃料和塑料的來源。

為了提高MIR光譜的靈敏度和分辨率，我們需要使用光學腔來增強光路長度和光強度。光學腔是由兩個或多個反射鏡組成的裝置，可以讓光在其中多次反射，形成穩(wěn)定的駐波模式。光學腔的性能主要取決于反射鏡的反射率，也就是每次反射時有多少光被反射回來，而不是被透射或吸收。反射率越高，光在腔內的存活時間越長，光學腔的精細度（finesse）也就越高。精細度是指光學腔的諧振峰的寬度和間距的比值，它反映了光學腔的品質因子（Q factor）和光譜選擇性。

在可見光和近紅外（NIR）波段，已經有了反射率高達99.9998%的反射鏡，使得光學腔的精細度超過了100萬。然而，在MIR波段，這樣的高性能反射鏡卻很少見，因為制作MIR反射鏡的材料和技術都比較有限。目前，最常用的MIR反射鏡是基于多層薄膜的干涉涂層，它們由不同折射率的材料交替堆疊在一個基底上，形成一個周期性的結構，可以增強或抑制特定波長的反射。然而，這種涂層的反射率受到基底的透射率和涂層的吸收和散射的限制，通常只能達到99.9%左右，對應的光學腔的精細度也只有幾千。

那么，如何制作出反射率更高的MIR反射鏡呢？有研究人員提出了一種新的MIR反射鏡的設計和制作方法，稱為基底轉移的單晶干涉涂層。這種反射鏡的原理和多層薄膜的干涉涂層類似，但是它使用了一種特殊的材料和技術，可以大大降低基底的透射率和涂層的吸收和散射，從而實現了反射率高達99.9994%的MIR超鏡，以及精細度超過40萬的光學腔。這是MIR波段的一個重大突破，將為MIR光譜學的應用帶來新的可能性。

基底轉移的單晶干涉涂層的制作過程可以分為以下幾個步驟：

首先，選擇一種合適的半導體材料，例如GaAs/AlGaAs，作為涂層的材料。這種材料有兩個優(yōu)點：一是它在MIR波段有很低的吸收，二是它可以通過分子束外延（MBE）的方法在一個晶體基底上生長出高質量的單晶薄膜。MBE是一種在超高真空條件下，將不同元素的原子束照射到一個晶體基底上，使其沉積并形成單晶薄膜的技術。通過控制不同元素的比例和沉積的厚度，可以實現不同折射率的材料的交替堆疊，從而形成一個周期性的結構，也就是干涉涂層。

然后，將涂層從基底上剝離，并轉移到另一個基底上。這一步的目的是消除原始基底的透射，因為原始基底的透射率通常比涂層的反射率高得多，會導致光的損失。為了實現涂層的剝離，作者使用了一種叫做離子切割（ion-cut）的技術。離子切割的原理是，在涂層的生長過程中，在一個特定的深度處注入氫離子，形成一個高濃度的氫層。然后，將涂層加熱到一定的溫度，使得氫層內的氫原子聚集成氣泡，從而在涂層內部形成一個裂縫，將涂層分成兩部分。這樣，就可以將涂層的上半部分從基底上剝離，而不會破壞涂層的結構和質量。

最后，將剝離的涂層轉移到一個新的基底上，形成一個基底轉移的單晶干涉涂層。這一步的目的是提供一個機械穩(wěn)定和光學透明的支撐結構，以及一個方便的安裝接口。為了實現涂層的轉移，作者使用了一種叫做粘接（bonding）的技術。粘接的原理是，在涂層和新基底的表面涂上一層有機膠，然后將它們緊密地貼合在一起，形成一個牢固的連接。這樣，就可以將涂層和新基底作為一個整體來處理，而不會影響涂層的光學性能。

通過這樣的過程，作者制作出了基底轉移的單晶干涉涂層，并用它們來組成一個MIR光學腔。作者測量了光學腔的反射率和精細度，發(fā)現它們分別達到了99.9994%和40萬，創(chuàng)造了MIR波段的新紀錄。作者還用這個光學腔來進行了一項MIR光譜學的實驗，證明了它的優(yōu)越性和應用潛力。

審核編輯：黃飛