范德比尔特大学和宾夕法尼亚州立大学的工程师开发出一种设计和制造具有近乎任意光谱输出的薄膜红外光源的新方法，并可能改变分子传感技术。

该方法由热量驱动，并采用逆向设计（一种机器学习方法），显著减少了优化这些设备所需的时间，从使用多核计算机的几周或几个月到消费者桌面上的几分钟。

这些廉价、高效、设计精良的红外光源可用于搜索和救援的红外信标、监测工业气体、环境污染物和毒素的分子传感器，或用于自由空间通信，自由空间通信是一种利用光在自由空间中扩散以无线方式传输电信或计算机网络数据的光通信技术。

新方法

目前，中长波红外范围内缺乏经济高效的窄带光源。标准热辐射源可以产生宽带热辐射，即在较宽的波长范围和较宽的角度范围内释放的热辐射。然而，这限制了它们的应用范围，例如白炽灯。

相比之下，激光器和发光二极管（LED）发射的是窄频光，这使得它们成为众多应用的理想选择，但也意味着它们效率低下且成本高昂。

波长选择性热发射器 (WS-EM) 可以填补这一空白，它结合了激光器或 LED 的窄带宽和热发射器的简单设计。然而，这种具有用户自定义输出光谱的热发射器需要图案化的纳米结构，并且需要采用高成本、低通量的方法制备。

由范德比尔特大学机械工程副教授 Joshua Caldwell 和宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程教授 Jon-Paul Maria 领导的研究人员着手克服这些挑战，同时创建更有效的流程。

他们的技术采用了简单的薄膜沉积技术，这是一种成熟的纳米制造技术，可以将厚度在几纳米到约100微米之间的极薄材料薄膜涂覆到待涂覆的基材或表面上。该技术得益于材料和机器学习领域的关键进展。

该方法利用了半导体氧化镉（CdO）的宽光谱可调性，以及由交替介电层制成的一维光子晶体（称为分布式布拉格反射器）。这些交替的多层结构产生了所谓的“塔姆极化子”，其中器件的发射波长由这些层之间的相互作用决定。

此类设计此前仅限于单一波长输出，因为设计多个谐振点过于复杂。然而，为了匹配大多数分子的吸收光谱，在多个频率下创建用户可控制的波长、线宽和强度的多个谐振点是必要的。

材料设计

确定最佳材料设计极具挑战性，计算量巨大。由于高级应用需要跨多个共振点的功能，因此需要采用新流程来大幅缩短设计时间，从几天或几个月缩短到几分钟。

范德堡大学博士生何明泽（Mingze He）是《自然材料》杂志发表论文的主要作者，他提出了一种逆向设计算法，可以在几分钟内在消费级台式机上计算出优化结构。他的算法能够在任意光谱带宽上同时匹配多个共振的选定发射波长、线宽和振幅。

寻找一种允许电子密度具有较大动态范围的半导体材料也是一项挑战，但该团队利用一种掺杂的半导体材料——氧化镉——可以实现光学特性的有意设计。

玛丽亚的团队在宾夕法尼亚州立大学开发了这种材料，她表示：“这使得我们能够以极低的成本和最少的制造步骤在晶圆级上制造先进的中红外光源。”

实验结果

实验在宾夕法尼亚州立大学进行，设备由何和考德威尔团队的毕业生J.瑞安·诺伦（J. Ryan Nolen）负责分类。该团队成功展示了逆向设计红外光源的能力，该光源具有可设计频率、线宽和振幅的单个或多个发射带。

“氧化镉材料的可调性与非周期分布布拉格反射器的快速优化相结合，为设计具有用户自定义输出光谱的红外光源提供了潜力，”考德威尔说道。 “这些技术不仅在化学传感领域具有直接的应用潜力，还在环境传感、遥感、光谱学以及红外信号和通信等各种其他应用中展现出巨大的潜力。”

研究人员表示，这项工作使得无需光刻、晶圆级波长选择性热发射器的开发成为可能，该发射器与互补金属氧化物半导体兼容。

Caldwell 团队已将设计算法开源，可从《自然材料》网站上获取。