新型先进的光设计和制造工艺将彻底改变传感技术学术资讯

范德堡大学和宾夕法尼亚州立大学的工程师们开发出一种新方法来设计和制造薄膜红外光源，这种光谱输出由热驱动，同时采用一种称为反向机器学习的设计方法，将这些设备的优化时间从多核计算机上的数周或数月缩短至消费级计算机上的几分钟。

开发经济、高效设计红外光源的工艺将有可能彻底改变分子传感技术。其他涉及应用包括自由空间通信、用于搜索和救援的红外信标、用于监测工业气体以及环境污染物和毒素的分子传感器。据《自然材料》记录，得益于材料与机器学习方面的技术深入，最成熟的纳米制造技术之一的薄膜沉积工艺研究取得重大进展。

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，激光和发光二极管提供了许多应用所需的狭窄频率发射，但通常效率太低且或成本太高。这推动研究转向波长选择性热发射器，以提供激光器或LED的窄带宽，但热发射器设计简单。然而，迄今为止，大多数具有用户定义输出光谱的热发射器都需要使用高成本、低通量方法制造的模式化纳米结构。

由范德比尔特机械工程副教授Joshua Caldwell和宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程教授Jon-Paul Maria领导的研究小组通过长期钻研，研发出了更高效的工艺。他们利用半导体氧化镉的宽光谱可调谐性，与由称为分布式布拉格反射器的交替电介质层制造出一维光子晶体相协调。这些多层材料的组合产生了所谓的“Tamm 等离子体”，其中器件的发射波长由这些层之间的相互作用决定。到目前为止，此类设计仅限于单个设计波长输出。但是，在用户控制的波长、线宽和强度的多个方面创建多个共振对于匹配大多数分子的吸收光谱至关重要。

材料设计具有挑战性和计算强度。由于高级应用程序需要多个共振功能，新流程必须大幅缩短设计时间。例如，一个典型的设备将包含数十到数百个可指定参数，从而产生需要不可估量计算时间的高要求。例如，在独立优化9个参数的场景中，每个参数采样10个点，假设每秒进行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和12个参数将分别需要3年和31年。为了应对这一挑战，论文的主要作者、博士生Mingze He提出了一种反向设计算法，算法可在几分钟内在消费级计算机上计算出优化的结构。此外，此代码可以提供在任意光谱带宽上同时匹配所需发射波长、线宽和多个共振振幅的能力。

另一项挑战是识别一种半导体材料，这种材料可以支持大动态范围电子密度的半导体材料。为此，该团队使用由宾夕法尼亚州立大学Maria的研究团队开发的掺杂半导体材料，这种材料可以设计光学特性。Maria表示："这将实现以极低的成本和最少的制造步骤来提供晶圆级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方一起进行的，Mingze He和Caldwell小组的应届毕业生J.Ryan Nolen联合展示了反向设计的红外光源的特性。"氧化镉材料的可调谐性与快速优化的腹膜分布式布拉格反射器相结合，为设计可定义输出光谱的红外光源创造可能。这项技术在化学传感方面具有独到的优势，另外它们也在环境和遥感、光谱学、红外信号和通信等各种其他应用中显示出巨大的潜力。”Caldwell说。

值得注意的是，Caldwell团队已经开源设计算法，大众可以在《自然材料》以及Caldwell红外纳米光子材料和设备实验室网站下载该算法。论文《具有多谐振控制的Tamm等离子体热发射器的定性反向设计》于10月21日发表。