Un effort de collaboration internationale a conduit à la création des premiers supermiroirs infrarouge moyen dotés d’une réflectivité exceptionnelle, comme indiqué dans Communications naturelles. Cette innovation devrait améliorer considérablement la détection des gaz environnementaux et les processus industriels, marquant ainsi une avancée majeure dans la technologie des miroirs. Crédit : Issues.fr.com
Les miroirs infrarouges avancés améliorent la recherche sur le climat et les biocarburants grâce à une détection précise des traces de gaz.
Une équipe internationale de chercheurs des États-Unis, d’Autriche et de Suisse a démontré les premiers véritables supermiroirs dans la région spectrale de l’infrarouge moyen. Ces miroirs sont essentiels à de nombreuses applications, telles que la spectroscopie optique pour la détection environnementale, ainsi que la découpe et le soudage laser pour la fabrication.
Atteindre une réflectivité presque parfaite
Dans le domaine des miroirs hautes performances, tout le monde court après l’impossible : des revêtements à la réflectivité parfaite. Dans la gamme visible des longueurs d’onde (c’est-à-dire entre 380 nm et 700 nm), les miroirs métalliques avancés atteignent des réflectivités aussi élevées que 99 %, ce qui signifie 1 photon est perdu pour chaque 99 réfléchi. Cela peut paraître impressionnant, mais dans la région du proche infrarouge (c’est-à-dire entre ~780 nm et 2,5 μm), les revêtements miroir ont démontré une réflectivité de 99,9997 %, ne perdant que 3 photons sur 1 million réfléchis.
Un substrat de silicium d’un pouce de diamètre recouvert d’un revêtement interférentiel déposé de manière conventionnelle. Crédit : Valentin Wittwer
Il existe un désir de longue date d’étendre ce niveau de performance de supermiroir dans l’infrarouge moyen (longueurs d’onde de 2,5 µm à 10 µm et au-delà), où des progrès peuvent être permis dans les tâches de détection de gaz traces liées au changement climatique et aux biocarburants, comme ainsi que dans des applications industrielles telles que l’usinage laser et la nanofabrication. Jusqu’à présent, les meilleurs miroirs de l’infrarouge moyen perdent environ 1 photon sur 10 000, soit environ 33 fois plus que dans le proche infrarouge.
La collaboration internationale mène à une percée
Comme décrit dans l’article publié dans Communications naturelles, une collaboration internationale de chercheurs de Thorlabs’ Crystalline Solutions (Santa Barbara, Californie), du Christian Doppler Laboratory for Mid-Infrared Spectroscopy de l’Université de Vienne (Autriche), du National Institute of Standards and Technology (NIST) des États-Unis et du L’Université de Neuchâtel (Suisse) vient de démontrer les premiers véritables supermiroirs infrarouge moyen. Ces miroirs ne perdent que 8 photons sur 1 million, atteignant une réflectivité de 99,99923 %. Atteindre des réflectivités aussi extrêmes nécessitait une maîtrise combinée des matériaux, de la conception des miroirs et des processus de fabrication.
Une tranche de GaAs à motifs de quatre pouces avec des matrices monocristallines GaAs/AlGaAs qui seront éventuellement liées par fusion sur les substrats de silicium revêtus. Crédit : Georg Winkler
Nouveau paradigme dans les revêtements miroir
Pour réaliser cette première génération de supermiroirs à infrarouge moyen (MIR), les chercheurs ont conçu et démontré un nouveau paradigme en matière de revêtements. Ils ont combiné des techniques conventionnelles de revêtement de couches minces et de nouveaux matériaux et méthodes semi-conducteurs pour surmonter les contraintes matérielles dans la région difficile de l’infrarouge moyen.
Selon Garrett Cole, responsable technologique de l’équipe Crystalline Solutions de Thorlabs, « ce travail s’appuie sur nos efforts pionniers dans le domaine des revêtements cristallins transférés par substrat. En étendant cette plate-forme à des longueurs d’onde plus longues, notre collaboration internationale est la première à démontrer une méthode de revêtement MIR avec des pertes indésirables d’absorption et de diffusion inférieures à 5 parties par million.
Ces miroirs exploitent l’extrême pureté et l’excellente qualité structurelle de l’épitaxie par jet moléculaire, un procédé avancé utilisé pour fabriquer de nombreux dispositifs semi-conducteurs différents, pour produire des multicouches GaAs/AlGaAs monocristallins avec une absorption et une diffusion négligeables. Ce matériau de départ est ensuite transformé en miroirs hautes performances à l’aide de techniques de microfabrication avancées, notamment la liaison directe par « fusion » sur un revêtement interférentiel classique non cristallin en couche mince de haute qualité déposé à l’Université de Neuchâtel.
Mesurer et prouver des performances supérieures
La fabrication de ces miroirs révolutionnaires ne représentait que la moitié du défi. Les scientifiques devaient également mesurer méthodiquement les miroirs pour prouver leurs performances supérieures. Gar-Wing Truong, scientifique principal chez Thorlabs Crystalline Solutions, a déclaré : « Cela a nécessité un énorme effort d’équipe pour rassembler l’équipement et l’expertise nécessaires pour montrer définitivement des pertes totales aussi faibles que 7,7 parties par million, ce qui est 6 fois mieux que ce qui avait été obtenu auparavant avec toute technique de revêtement MIR conventionnelle.
Le co-auteur principal Lukas Perner, scientifique à l’Université de Vienne, a ajouté : « En tant que co-inventeur de ce nouveau paradigme de revêtement, c’était à la fois passionnant et gratifiant de mettre ces miroirs à l’épreuve. Nos efforts combinés dans la technologie innovante des miroirs et les méthodes de caractérisation avancées nous ont permis de démontrer leurs performances exceptionnelles, ouvrant ainsi de nouvelles voies dans le MIR.
Impact sur la détection environnementale et la spectroscopie
Une application immédiate de ces nouveaux supermiroirs MIR consiste à améliorer considérablement la sensibilité des dispositifs optiques utilisés pour mesurer des traces de gaz. Ces appareils, appelés spectromètres à cavité annulaire (CRDS), peuvent détecter et quantifier des quantités infimes de marqueurs environnementaux importants, tels que le monoxyde de carbone. L’équipe s’est tournée vers les chercheurs chimistes du NIST, Adam Fleisher et Michelle Bailey, qui travaillent depuis longtemps avec cette technique. Dans une expérience de validation de principe qui a mis ces miroirs à l’épreuve, Fleisher et Bailey ont montré que les miroirs surpassaient déjà l’état de l’art.
« Les miroirs à faible perte permettent d’obtenir des longueurs de trajet optique exceptionnellement longues dans un petit appareil – dans ce cas, c’est comme si la distance entre Philadelphie et New York était réduite à un seul mètre », a déclaré Bailey. « Il s’agit d’un avantage clé pour la spectroscopie ultra-sensible dans la gamme spectrale MIR, notamment pour la mesure des radio-isotopes qui sont importants pour la criminalistique nucléaire et la datation au carbone. »
