Dans une coopération internationale avec des partenaires de l'industrie et de la recherche, physiciens de l'Université de Vienne, avec Thorlabs, l'Institut national des normes et de la technologie (NIST), et l'Université du Kansas, ont maintenant réussi pour la première fois à démontrer des miroirs laser hautes performances dans la plage de longueurs d'onde infrarouge moyenne pertinente pour la détection qui absorbent moins de dix photons sur un million. Fabriqué selon un nouveau procédé à base de matériaux cristallins, ces miroirs à faibles pertes promettent d'ouvrir de tout nouveaux domaines d'application, par exemple dans l'analyse optique des gaz respiratoires pour la détection précoce du cancer ou la détection des gaz à effet de serre. Ce travail sera publié dans le numéro actuel de la revue Optique .

En 2016, des chercheurs de l'interféromètre laser LIGO ont réussi la première observation directe d'ondes gravitationnelles, qui avait été initialement prédite par Albert Einstein en 1916. Une contribution significative à l'observation de cette propagation ondulatoire des perturbations dans l'espace-temps, qui a été récompensé par le prix Nobel un an plus tard, a été fourni par les miroirs laser de l'ensemble interférométrique d'un kilomètre de long. L'optimisation de ces miroirs pour des pertes d'absorption optique extrêmement faibles a été une avancée clé dans la réalisation de la sensibilité nécessaire pour effectuer de telles mesures. "Les miroirs à faibles pertes sont une technologie clé pour de nombreux domaines de recherche différents, " explique Oliver H. Heckl, responsable du Christian Doppler Laboratory for Mid-IR Spectroscopy and Semiconductor Optics, "Ils sont le lien pour des domaines de recherche aussi divers que le diagnostic du cancer et la détection des ondes gravitationnelles."

En réalité, des propriétés de miroir comparables sont également des avancées technologiques prometteuses pour des applications nettement plus pratiques. Ceci comprend, entre autres, spectroscopie moléculaire sensible, c'est-à-dire la détection des plus petites quantités de substances dans les mélanges gazeux, un axe de recherche du Christian Doppler Laboratory (CDL). Des exemples peuvent être trouvés dans la détection précoce du cancer par la détection des plus faibles concentrations de molécules marqueurs dans l'haleine des patients, ou dans la détection précise des fuites de méthane dans les systèmes de production de gaz naturel à grande échelle afin de limiter la contribution de ces gaz à effet de serre au changement climatique.

Contrairement aux expériences au LIGO, cependant, de telles investigations sont menées bien plus loin en dehors du spectre de la lumière visible, dans le moyen infrarouge. Dans cette région de longueur d'onde, également connue sous le nom de « région des empreintes digitales », " de nombreuses molécules structurellement similaires se distinguent clairement sur la base de leurs raies d'absorption caractéristiques. Par conséquent, c'est un souhait de longue date de la communauté photonique, pour atteindre des niveaux de perte tout aussi faibles dans cette gamme de longueurs d'onde techniquement difficile.

C'est exactement ce que l'équipe dirigée par Oliver H. Heckl a maintenant réalisé dans le cadre d'une coopération internationale. Dans ce cas, une faible perte signifie que le nouveau type de miroir absorbe moins de 10 photons sur un million. À titre de comparaison :un miroir de salle de bain disponible dans le commerce "détruit" environ dix mille fois plus de photons, et même les miroirs utilisés dans les recherches de pointe ont des pertes de dix à cent fois plus élevées.

Cette amélioration drastique a été rendue possible grâce à l'utilisation d'une toute nouvelle technologie de revêtement optique :des empilements monocristallins de matériaux semi-conducteurs de haute pureté sont déposés via un processus de croissance épitaxiale. Ces multicouches monocristallines sont ensuite transférées via un procédé de collage propriétaire sur des substrats optiques en silicium incurvés, compléter les miroirs qui ont été testés à la fois au CDL et au NIST. Cette technologie unique de « revêtement cristallin » a été développée et réalisée par le partenaire industriel du Laboratoire Christian Doppler, Solutions cristallines Thorlabs. Cette société a été fondée à l'origine sous le nom de Crystalline Mirror Solutions (CMS) en 2013 en tant que spin-off de l'Université de Vienne par Garrett Cole et Markus Aspelmeyer. CMS a été acquis par Thorlabs Inc. en décembre 2019. Cette collaboration industrielle a été rendue possible, avec le soutien du Ministère fédéral du numérique et de l'économie, via le modèle unique au monde de la Christian Doppler Research Association (CDG) pour promouvoir la recherche fondamentale orientée vers les applications. Un groupe de recherche dirigé par Adam Fleisher du National Institute for Standards and Technology (NIST) à Gaithersburg, Maryland (États-Unis), qui est réputé pour les mesures de précision, a également joué un rôle clé dans ce succès. Georg Winkler, co-auteur de la présente étude exprime son enthousiasme :« La technologie de mesure précise est bien plus qu'un simple pédantisme. Partout où vous pouvez regarder de plus près par un ordre de grandeur, vous découvrez généralement des phénomènes complètement nouveaux, pensez à l'invention du microscope et du télescope !"

En réalité, cette évaluation s'est déjà avérée vraie dans la caractérisation détaillée des nouveaux miroirs eux-mêmes, lorsqu'un effet jusqu'alors inconnu de l'absorption dépendante de la polarisation a été découvert dans les couches semi-conductrices et exploré théoriquement par le professeur Hartwin Peelaers, collaborateur de l'Université du Kansas. "Ces résultats ouvrent de grandes opportunités quant à l'affinement ultérieur de ces miroirs", Le co-auteur Lukas Perner est ravi :« Grâce aux pertes extrêmement faibles, nous pouvons maintenant optimiser davantage la bande passante et la réflectivité.

Avec ça en tête, les partenaires du projet travaillent déjà sur une nouvelle amélioration de la technologie :l'extension de la bande passante optique des miroirs leur permettra d'être utilisés efficacement avec des peignes de fréquence optiques. Cela permettra l'analyse de mélanges gazeux particulièrement complexes avec une précision sans précédent.