Une équipe internationale de chercheurs a réussi à créer les premiers supermiroirs dans la région spectrale du moyen infrarouge. Ces miroirs sont essentiels pour de nombreuses applications, notamment la spectroscopie optique pour la détection environnementale, ainsi que la découpe et le soudage au laser pour la fabrication.
Dans le domaine des miroirs haute performance, l’objectif est toujours d’atteindre une réflectivité parfaite.
Dans la gamme de longueurs d’onde visible (c’est-à-dire entre 380 nm et 700 nm), les miroirs métalliques avancés atteignent des réflectivités aussi élevées que 99%, ce qui signifie qu’un photon est perdu pour chaque 99 réfléchis. Cela peut sembler impressionnant, mais dans la région du proche infrarouge (c’est-à-dire entre ~780 nm et 2,5 μm), les revêtements de miroir ont démontré une réflectivité de 99,9997%, perdant seulement 3 photons sur 1 million réfléchis.
Il y a un désir de longue date d’étendre ce niveau de performance de supermiroir dans le moyen infrarouge (longueurs d’onde de 2,5 µm à 10 µm et au-delà), où des avancées peuvent être réalisées dans les tâches de détection de gaz à l’état de trace liées au changement climatique et aux biocarburants, ainsi que dans des applications industrielles telles que l’usinage au laser et la nanofabrication.
Jusqu’à présent, les meilleurs miroirs en moyen infrarouge perdent environ 1 photon sur chaque 10.000 réfléchis, soit environ 33 fois plus que dans le proche infrarouge.
La réalisation
Une collaboration internationale de chercheurs de Thorlabs’ Crystalline Solutions (Santa Barbara, CA), du Laboratoire Christian Doppler pour la spectroscopie en moyen infrarouge à l’Université de Vienne (Autriche), de l’Institut national des normes et de la technologie des États-Unis (NIST), et de l’Université de Neuchâtel (Suisse) a maintenant démontré les premiers vrais supermiroirs en moyen infrarouge.
Ces miroirs ne perdent que 8 photons sur 1 million, atteignant une réflectivité de 99,99923%. Pour atteindre une telle réflectivité extrême, il a fallu maîtriser les matériaux, la conception des miroirs et les processus de fabrication.
Pour réaliser cette première génération de supermiroirs en moyen infrarouge (MIR), les chercheurs ont conçu et démontré un nouveau paradigme en matière de revêtements. Ils ont combiné des techniques conventionnelles de revêtement en couches minces et de nouveaux matériaux et méthodes de semi-conducteurs pour surmonter les contraintes matérielles dans la région difficile du moyen infrarouge.
Les applications
Une application immédiate de ces nouveaux supermiroirs MIR est d’améliorer considérablement la sensibilité des dispositifs optiques utilisés pour mesurer des quantités infimes de gaz. Ces dispositifs, appelés spectromètres à déclenchement de cavité (CRDS), peuvent détecter et quantifier des quantités minuscules de marqueurs environnementaux importants, tels que le monoxyde de carbone.
L’équipe a fait appel à des chimistes de recherche du NIST, Adam Fleisher et Michelle Bailey, qui ont longtemps travaillé avec cette technique. Dans une expérience de preuve de concept qui a mis ces miroirs à l’épreuve, Fleisher et Bailey ont montré que les miroirs surpassent déjà l’état de l’art.
En synthèse
La réalisation de ces supermiroirs en moyen infrarouge marque une étape importante dans le domaine de la technologie des miroirs. En atteignant une réflectivité de 99,99923%, ces miroirs ouvrent la voie à de nouvelles avancées dans la détection de gaz à l’état de trace et dans des applications industrielles telles que l’usinage au laser et la nanofabrication.
Les applications potentielles de cette technologie sont vastes et pourraient avoir un impact significatif sur de nombreux domaines de la science et de l’industrie.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce qu’un supermiroir ?
Un supermiroir est un miroir qui a une réflectivité extrêmement élevée, perdant seulement une petite fraction des photons qui le frappent.
Pourquoi est-ce important ?
Les supermiroirs peuvent améliorer la sensibilité des dispositifs optiques utilisés pour mesurer des quantités infimes de gaz, ce qui est crucial pour la détection environnementale et d’autres applications.
Qu’est-ce que le moyen infrarouge ?
Le moyen infrarouge fait référence à une gamme de longueurs d’onde de la lumière, de 2,5 µm à 10 µm et au-delà, qui est souvent utilisée dans les applications de détection de gaz et d’usinage au laser.
Qu’est-ce que la réflectivité ?
La réflectivité est une mesure de la quantité de lumière qui est réfléchie par une surface. Une réflectivité de 100% signifie que toute la lumière est réfléchie, tandis qu’une réflectivité de 0% signifie que toute la lumière est absorbée.
Quelles sont les applications potentielles de cette technologie ?
Les supermiroirs en moyen infrarouge pourraient être utilisés dans une variété d’applications, y compris la détection environnementale, l’usinage au laser, la nanofabrication, et plus encore.
Références
Légende illustration principale : Une plaquette de GaAs de quatre pouces avec des matrices de GaAs/AlGaAs monocristallines qui seront ensuite collées par fusion sur les substrats de silicium revêtus. C : Georg Winkler
« Mid-Infrared supermirrors with finesse exceeding 400 000 ». Nature Communications. DOI : https://dx.doi.org/doi:10.1038/s41467-023-43367-z
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