Superespejos cristalinos para la detección de trazas de gas en ciencias medioambientales y medicina
Análisis de mezclas de gases especialmente complejas con una precisión sin precedentes
En el marco de una cooperación internacional con socios de la industria y la investigación, físicos de la Universidad de Viena, junto con Thorlabs, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Kansas, han logrado demostrar por primera vez espejos láser de alto rendimiento en la gama de longitudes de onda del infrarrojo medio relevantes para la detección que absorben menos de diez de cada millón de fotones. Fabricados mediante un nuevo proceso basado en materiales cristalinos, estos espejos de bajas pérdidas prometen abrir áreas de aplicación completamente nuevas, por ejemplo, en el análisis óptico de gases respiratorios para la detección temprana del cáncer o la detección de gases de efecto invernadero. Este trabajo se publicará en el número actual de la revista "Optica".
Revestimientos de interferencia cristalinos adheridos a diferentes sustratos ópticos
© 2018 Georg Winkler, Universität Wien
En 2016, los investigadores del interferómetro láser LIGO lograron la primera observación directa de las ondas gravitacionales, que habían sido predichas originalmente por Albert Einstein en 1916. Una importante contribución a la observación de esta propagación ondulatoria de perturbaciones en el espacio-tiempo, que fue recompensada con el Premio Nobel un año después, la aportaron los espejos láser del conjunto del interferómetro, de un kilómetro de longitud. La optimización de estos espejos para conseguir unas pérdidas de absorción óptica extremadamente bajas fue un avance clave para conseguir la sensibilidad necesaria para realizar dichas mediciones. "Los espejos de bajas pérdidas son una tecnología clave para muchos campos de investigación diferentes", explica Oliver H. Heckl, director del Laboratorio Christian Doppler de Espectroscopia del IR Medio y Óptica de Semiconductores. "Son el enlace para campos de investigación tan diversos como el diagnóstico del cáncer y la detección de ondas gravitacionales".
De hecho, las propiedades comparables de los espejos son también avances tecnológicos prometedores para aplicaciones mucho más prácticas. Esto incluye, entre otras cosas, la espectroscopia molecular sensible, es decir, la detección de las cantidades más pequeñas de sustancias en mezclas de gases, un foco de investigación del Laboratorio Christian Doppler (CDL). Ejemplos de ello son la detección precoz del cáncer mediante la detección de las concentraciones más pequeñas de moléculas marcadoras en el aliento de los pacientes, o la detección precisa de fugas de metano en los sistemas de producción de gas natural a gran escala, con el fin de limitar la contribución de estos gases de efecto invernadero al cambio climático.
Sin embargo, a diferencia de los experimentos de LIGO, estas investigaciones se llevan a cabo mucho más allá del espectro de luz visible, en el rango del infrarrojo medio. En esta región de longitudes de onda, también conocida como la "región de las huellas dactilares", muchas moléculas estructuralmente similares son claramente distinguibles en base a sus líneas de absorción características. Por lo tanto, es un viejo deseo de la comunidad fotónica conseguir niveles de pérdida igualmente bajos en este rango de longitudes de onda tan exigente desde el punto de vista técnico.
Esto es exactamente lo que el equipo dirigido por Oliver H. Heckl ha conseguido ahora en una cooperación internacional. En este caso, baja pérdida significa que el nuevo tipo de espejo absorbe menos de 10 de cada millón de fotones. A modo de comparación: Un espejo de baño disponible en el mercado "destruye" alrededor de diez mil veces más fotones, e incluso los espejos utilizados en la investigación superior tienen pérdidas entre diez y cien veces superiores.
Esta drástica mejora ha sido posible gracias al uso de una tecnología de revestimiento óptico completamente nueva: En primer lugar, se depositan pilas monocristalinas de materiales semiconductores de gran pureza mediante un proceso de crecimiento epitaxial. A continuación, estas multicapas monocristalinas se transfieren mediante un proceso de unión propio a sustratos ópticos de silicio curvados, completando los espejos que se probaron tanto en el CDL como en el NIST. Esta tecnología única de "recubrimiento cristalino" fue desarrollada y llevada a cabo por el socio industrial del Laboratorio Christian Doppler, Thorlabs Crystalline Solutions. Esta empresa se fundó originalmente con el nombre de Crystalline Mirror Solutions (CMS) en 2013 como un spin-off de la Universidad de Viena por Garrett Cole y Markus Aspelmeyer. CMS fue adquirida por Thorlabs Inc. en diciembre de 2019. Esta colaboración con la industria fue posible, con el apoyo del Ministerio Federal de Asuntos Digitales y Económicos, a través del modelo único a nivel internacional de la Asociación de Investigación Christian Doppler (CDG) para promover la investigación básica orientada a la aplicación. Un grupo de investigación dirigido por Adam Fleisher, del Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST) de Gaithersburg, Maryland (EE.UU.), famoso por sus mediciones de precisión, también desempeñó un papel fundamental en este éxito. Georg Winkler, coautor del presente estudio, expresa su entusiasmo: "La tecnología de medición precisa es mucho más que una simple pedantería. Siempre que se puede mirar más de cerca un orden de magnitud, se suelen descubrir fenómenos completamente nuevos, ¡sólo hay que pensar en la invención del microscopio y el telescopio!"
. De hecho, esta apreciación ya ha resultado cierta en la caracterización detallada de los nuevos espejos mismos, cuando se descubrió un efecto de absorción dependiente de la polarización, hasta entonces desconocido, en las capas semiconductoras y explorado teóricamente por el colaborador, el profesor Hartwin Peelaers, de la Universidad de Kansas. "Estos resultados abren grandes oportunidades en cuanto al perfeccionamiento de estos espejos", se congratula el coautor Lukas Perner: "Gracias a las pérdidas extremadamente bajas podemos optimizar aún más el ancho de banda y la reflectividad".
Con este objetivo, los socios del proyecto ya están trabajando en una nueva mejora de la tecnología: La ampliación del ancho de banda óptico de los espejos permitirá utilizarlos eficazmente con los llamados peines de frecuencia óptica. Esto permitirá analizar mezclas de gases especialmente complejas con una precisión sin precedentes.
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