中紅外（MIR）波段包含了許多分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)譜線，對(duì)于氣體傳感和精密光譜學(xué)有著重要的應(yīng)用。為了提高M(jìn)IR光譜的靈敏度和分辨率，需要利用高反射率的反射鏡來(lái)制作光學(xué)腔。本文介紹了一種新的MIR反射鏡的設(shè)計(jì)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(zhǎng)在3-30微米之間的電磁輻射。這個(gè)波段包含了許多分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)譜線，因此對(duì)于氣體傳感和精密光譜學(xué)有著重要的應(yīng)用。例如，我們可以利用MIR光譜來(lái)探測(cè)大氣中的溫室氣體，監(jiān)測(cè)工業(yè)過(guò)程中的有害排放，分析呼吸氣體中的生物標(biāo)志物，或者驗(yàn)證生物燃料和塑料的來(lái)源。

為了提高M(jìn)IR光譜的靈敏度和分辨率，我們需要使用光學(xué)腔來(lái)增強(qiáng)光路長(zhǎng)度和光強(qiáng)度。光學(xué)腔是由兩個(gè)或多個(gè)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(xué)腔的性能主要取決于反射鏡的反射率，也就是每次反射時(shí)有多少光被反射回來(lái)，而不是被透射或吸收。反射率越高，光在腔內(nèi)的存活時(shí)間越長(zhǎng)，光學(xué)腔的精細(xì)度（finesse）也就越高。精細(xì)度是指光學(xué)腔的諧振峰的寬度和間距的比值，它反映了光學(xué)腔的品質(zhì)因子（Q factor）和光譜選擇性。

在可見光和近紅外（NIR）波段，已經(jīng)有了反射率高達(dá)99.9998%的反射鏡，使得光學(xué)腔的精細(xì)度超過(guò)了100萬(wàn)。然而，在MIR波段，這樣的高性能反射鏡卻很少見，因?yàn)橹谱鱉IR反射鏡的材料和技術(shù)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(gè)基底上，形成一個(gè)周期性的結(jié)構(gòu)，可以增強(qiáng)或抑制特定波長(zhǎng)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(dá)到99.9%左右，對(duì)應(yīng)的光學(xué)腔的精細(xì)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(shè)計(jì)和制作方法，稱為基底轉(zhuǎn)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(shù)，可以大大降低基底的透射率和涂層的吸收和散射，從而實(shí)現(xiàn)了反射率高達(dá)99.9994%的MIR超鏡，以及精細(xì)度超過(guò)40萬(wàn)的光學(xué)腔。這是MIR波段的一個(gè)重大突破，將為MIR光譜學(xué)的應(yīng)用帶來(lái)新的可能性。

基底轉(zhuǎn)移的單晶干涉涂層的制作過(guò)程可以分為以下幾個(gè)步驟：

首先，選擇一種合適的半導(dǎo)體材料，例如GaAs/AlGaAs，作為涂層的材料。這種材料有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是它在MIR波段有很低的吸收，二是它可以通過(guò)分子束外延（MBE）的方法在一個(gè)晶體基底上生長(zhǎng)出高質(zhì)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(gè)晶體基底上，使其沉積并形成單晶薄膜的技術(shù)。通過(guò)控制不同元素的比例和沉積的厚度，可以實(shí)現(xiàn)不同折射率的材料的交替堆疊，從而形成一個(gè)周期性的結(jié)構(gòu)，也就是干涉涂層。

然后，將涂層從基底上剝離，并轉(zhuǎn)移到另一個(gè)基底上。這一步的目的是消除原始基底的透射，因?yàn)樵蓟椎耐干渎释ǔ１韧繉拥姆瓷渎矢叩枚啵瑫?huì)導(dǎo)致光的損失。為了實(shí)現(xiàn)涂層的剝離，作者使用了一種叫做離子切割（ion-cut）的技術(shù)。離子切割的原理是，在涂層的生長(zhǎng)過(guò)程中，在一個(gè)特定的深度處注入氫離子，形成一個(gè)高濃度的氫層。然后，將涂層加熱到一定的溫度，使得氫層內(nèi)的氫原子聚集成氣泡，從而在涂層內(nèi)部形成一個(gè)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(huì)破壞涂層的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量。

最后，將剝離的涂層轉(zhuǎn)移到一個(gè)新的基底上，形成一個(gè)基底轉(zhuǎn)移的單晶干涉涂層。這一步的目的是提供一個(gè)機(jī)械穩(wěn)定和光學(xué)透明的支撐結(jié)構(gòu)，以及一個(gè)方便的安裝接口。為了實(shí)現(xiàn)涂層的轉(zhuǎn)移，作者使用了一種叫做粘接（bonding）的技術(shù)。粘接的原理是，在涂層和新基底的表面涂上一層有機(jī)膠，然后將它們緊密地貼合在一起，形成一個(gè)牢固的連接。這樣，就可以將涂層和新基底作為一個(gè)整體來(lái)處理，而不會(huì)影響涂層的光學(xué)性能。

通過(guò)這樣的過(guò)程，作者制作出了基底轉(zhuǎn)移的單晶干涉涂層，并用它們來(lái)組成一個(gè)MIR光學(xué)腔。作者測(cè)量了光學(xué)腔的反射率和精細(xì)度，發(fā)現(xiàn)它們分別達(dá)到了99.9994%和40萬(wàn)，創(chuàng)造了MIR波段的新紀(jì)錄。作者還用這個(gè)光學(xué)腔來(lái)進(jìn)行了一項(xiàng)MIR光譜學(xué)的實(shí)驗(yàn)，證明了它的優(yōu)越性和應(yīng)用潛力。

審核編輯：黃飛