范德比尔特大学
研究小组先进的红外光源支持的无滤光、非色散红外传感器示意图
信用:何明泽，考德威尔集团 范德比尔特和宾夕法尼亚州立大学的工程师开发了一种新颖的方法来设计和制造薄膜红外光源，该光源具有由热量驱动的近乎任意的光谱输出，以及一种称为逆向设计的机器学习方法，该方法将这些设备的优化时间从多用途计算机上的几周或几个月缩短到消费级桌面上的几分钟
开发廉价、高效、有设计的红外光源的能力可以彻底改变分子传感技术
其他应用包括自由空间通信、用于搜索和救援的红外信标、用于监测工业气体、环境污染物和毒素的分子传感器
该研究团队的方法今天在《自然材料》杂志上详细介绍，该方法使用简单的薄膜沉积，这是最成熟的纳米制造技术之一，并得到了材料和机器学习的关键进展的帮助
标准的热发射器，如白炽灯泡，会产生宽带热辐射，这限制了它们在简单应用中的使用
相比之下，激光器和发光二极管提供许多应用所需的窄频率发射，但通常效率太低和/或太贵
这使得研究方向转向波长选择热发射器，以提供激光或发光二极管的窄带宽，但热发射器的设计很简单
然而，迄今为止，大多数具有用户定义的输出光谱的热发射器需要用高成本、低产量的方法制造的图案化纳米结构
由范德比尔特大学机械工程副教授约书亚·考德威尔(Joshua Caldwell)和宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程教授乔恩-保罗·玛丽亚(Jon-Paul Maria)领导的研究团队，着手攻克长期存在的挑战，创造更高效的流程
他们的方法利用了半导体氧化镉与一维光子晶体的宽光谱可调性，一维光子晶体由被称为分布式布拉格反射器的交替电介质层制成
这些多层材料的组合产生了所谓的“塔姆偏振”，其中器件的发射波长由这些层之间的相互作用决定
直到现在，这种设计仅限于单个设计的波长输出
但是，要匹配大多数分子的吸收光谱，就必须在用户控制的波长、线宽和强度下，在多个频率上产生多重共振
材料设计具有挑战性，并且计算量很大
因为高级应用需要多重共振的功能，新的过程必须大大缩短设计时间
例如，一个典型的设备可能包含几十到几百个可设计的参数，这就产生了高定制需求，需要不切实际的计算时间
例如，在一个独立优化9个参数的场景中，每个参数采样10个点，假设每秒100次模拟，模拟将需要15天
然而，随着参数的增加，时间呈指数级增长——11个和12个参数分别需要3年和31年
为了应对这一挑战
D
该论文的主要作者、学生何明泽提出了一种逆向设计算法，可以在几分钟内在消费者级桌面上计算出优化的结构
此外，该代码可以提供在任意光谱带宽上同时匹配多个共振的期望发射波长、线宽和振幅的能力
另一个障碍是确定一种半导体材料，它能允许电子密度的大动态范围
为此，研究小组使用了掺杂半导体材料，这种材料是由佩恩州立大学的玛丽亚研究小组开发的，允许有意设计光学特性
他说:“这允许以非常低的成本和最少的制造步骤在晶片规模上制造先进的中红外光源。”
这个实验部分是与宾夕法尼亚州立大学的合作者一起进行的，而这些装置是由何和J
莱恩·诺伦，考德威尔集团的毕业生
这两个团队一起成功地展示了逆向设计的红外光源的能力
“氧化镉材料的可调谐性与非周期分布式布拉格反射器的快速优化相结合，为设计具有用户定义输出光谱的红外光源提供了潜力
虽然它们在化学传感方面具有直接的潜力，但在环境和远程传感、光谱学以及红外信号和通信等各种其他应用中也显示出巨大的潜力
”考德威尔说
值得注意的是，考德威尔集团已经开源了设计算法，可以从自然材料网站以及考德威尔红外纳米光子材料和器件实验室网站上下载
他们的论文“具有多共振控制的塔姆等离子体热发射器的确定性逆向设计”于10月10日发表
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