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新型红外光源及设计方案能否彻底改变传感技术现状？| OE NEWS

光电汇OESHOW

2021-10-28

导读：应用潜力巨大

随着分子传感、自由空间通信、搜索和救援用红外信标的发展，迫切需要开发一种低成本、高效率的红外光源。

为了实现这一目的，研究人员主要提出了两种解决方案：其一为基于图案化纳米结构的波长选择性热发射器（WS-EM），这种方案可以提高红外光源的效率，但需要高成本，低通量的光刻工艺，从而限制了其成本的降低；其二为等离子体激元（TPP）异质结构，这种TPP结构由导体上的分布式布拉格反射器（DBR）组成，可仅通过薄膜沉积工艺制备，从而大幅度降低其制造成本，但大多数的应用需要同时控制发射频率和相应的Q因子，且抑制其他频率的发射，因此很大程度上提高了此类结构的设计难度和复杂性。

为了真正获得低成本、高效率的红外光源，美国范德比尔特大学和宾夕法尼亚州立大学的研究人员成功开发了一种新型薄膜红外光源，这种光源可通过简单的薄膜沉积技术加工制造，且可以近乎实现任意的光谱输出。此外，他们还提出了一种称为逆向设计的机器学习方法，利用该方法可以将原本需要数周甚至数月的设计优化时间缩短至几分钟以内，其相关成果已发表在《Nature Materials》中。

基于新型红外光源设计的无过滤器、非色散红外传感器示意图

1、工艺优化

为了获得理想的红外光源，首先需要解决的便是制造工艺问题。为此，该团队首先选择了一种允许大动态范围密度的半导体材料——氧化镉，然后利用氧化镉的宽光谱可调性，将其与分布式布拉格反射器的电解质层进行交替叠加组合，形成所谓的“Tamm极化子（Tamm-polariton）”，并由这种层之间的相互作用决定器件的发射波长。最为重要的是，这种结构的器件仅通过简单的薄膜沉积技术即可完成制造，这是最成熟的纳米制造技术之一，可以在制造过程中最大限度的降低其成本。

2、设计优化

材料设计一直具有挑战性且计算量很大。由于高级应用需要多个谐振的功能，因此新工艺必须大幅缩短设计时间。为了应对这一挑战，论文的第一作者Mingze He博士基于机器学习提出了一种逆向设计算法，可以在几分钟内利用消费级计算器上计算出优化的结构。此外，该代码还可以提供在任意光谱带宽上同时匹配所需发射波长、线宽和多个共振幅度的能力。