在一项有益于从环境监测到医疗诊断等领域的开创性研究中，来自奥地利、美国和瑞士的国际研究人员团队在光学技术领域取得了重大进展。他们在《自然通讯》最近的一份出版物中详细介绍了中红外（MIR）系列的高性能超级反射镜，将促进光谱学和激光应用的发展。

反射镜技术的创新

这项研究的核心是开发了两种不同类型的MIR镜子：全晶镜（all-crystalline）和混合镜。全晶镜是精密工程的奇迹，通过邦定（bonding）由砷化镓（GaAs）和砷化铝（AlGaAs）等晶体材料制成的两个半堆叠多层结构进行制作。这种方法确保了非常低的光学损耗，这是高保真光学应用的关键参数。

    另一方面，混合镜代表了晶体和非晶体层的融合。这种创新设计将晶体GaAs/AlGaAs多层结构与由硅和二氧化硅层制成的底层非晶结构相结合。混合镜因其调整传输特性的灵活性及其在更广泛的波长范围内有效运行的能力而脱颖而出。

技术突破和挑战

    这些MIR镜子的一个关键技术成就是其超高的精细度（finesse）和极低的过剩光学损耗（excess optical losses）(包括散射和吸收）。精细度是衡量镜子有效限制光线的能力的一种标准，直接影响光谱仪等设备中使用的光学腔的效率。而散射和吸收造成的光学损耗越低，镜子的质量就越高，可以实现更准确、更灵敏的测量。因此，该研究的反射镜展示了99.99923%的非凡反射率，也就是100万光子中只损失了8个光子。与之前最好的中红外镜相比，这是一个重大改进，因为之前的记录是在10,000个光子中失去了一个光子。

    制造这些镜子需要先进的技术，如晶体层的分子束外延和非晶层的离子束溅射。这些过程的精度对于实现所需的低缺陷密度和精确的层厚度至关重要。

跨不同领域的应用

    这些MIR超级反射镜的潜在应用是广泛而多样的。在环境监测中，这些镜子可用于检测和分析温室气体和其他大气污染物，利用它们与中红外范围内分子结构的独特相互作用。在医疗领域，由于与生物分子的相互作用，他们有望进行非侵入性诊断，如血糖监测和癌症检测。

    工业应用同样有前途。在过程监测中，这些镜子可以分析气体和液体的化学成分，这对石化加工和制药制造等行业至关重要。其他部门也将受益，特别是在热成像和检测化学和生物战剂方面。

    研究团队在概念验证气体传感实验中展示了这些镜子的实际应用。使用腔环向下光谱学（cavity ring-down spectroscopy），混合镜子形成了一个腔体，可以检测超高纯度氮中的微量一氧化二氮和一氧化碳。这次演示强调了镜子在高度敏感的环境监测和痕量气体检测方面的潜力。

    此外，这种镜子的超高精细度和低损耗为光谱学打开了新的大门，提高了以前用现有技术无法达到的灵敏度水平。这可能会彻底改变放射性碳光谱法、大气痕量气体检测设备，甚至化学传感仪器。

写在最后

    虽然全晶镜表现出卓越的效果，但它们复杂的双邦定（double-bonding）制造过程带来了可扩展性挑战。混合镜结合了无定形层和结晶层，提供了一个更可扩展和灵活的替代方案，为光学镜技术的未来发展指明了方向。

    这些中红外超镜的发展代表了光学技术的一个里程碑，其影响远远超出了传统光谱学和激光应用的范围。从加强环境监测和医疗诊断到推进工业和安全应用，这些镜子的潜力是巨大且具有变革性的。随着我们继续探索和理解光及其相互作用的复杂性，像这些MIR超级镜子这样的技术不仅拓宽了我们的科学视野，还为应对我们时代一些最紧迫挑战的创新解决方案铺平了道路。