近日，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH)研究團(tuán)隊(duì)突破了量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)的閾值功耗紀(jì)錄，將紀(jì)錄拉低了超過(guò)40%。但該研究最大的學(xué)術(shù)亮點(diǎn)不在于此，而是發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的、違反直覺(jué)的物理現(xiàn)象，將激光器的功率和功耗同時(shí)優(yōu)化。

1月11日，這項(xiàng)研究發(fā)表在《自然—通訊》上。這篇文章的第一作者王智鑫是ETH的博士生(已畢業(yè))，也是一名來(lái)自中國(guó)山西的年輕人。值得一提的是，他還是這篇論文的通訊作者。一個(gè)博士生被列為通訊作者，體現(xiàn)了他在這項(xiàng)研究中的貢獻(xiàn)。

審稿人認(rèn)為，作者采用的降低中紅外QCL功耗的解決方案是原創(chuàng)的，論文又緊湊又好。

圍繞降低功耗開(kāi)腦洞

QCL是中紅外波段主流的激光器類(lèi)型。但高功耗一直制約其廣泛應(yīng)用。怎么降低QCL的功耗呢?

2019年底，王智鑫的導(dǎo)師、ETH物理學(xué)教授杰羅姆·法斯特讓他去研究這個(gè)新課題。一方面要把器件尺寸盡量做小;另一方面盡可能減少器件的能量損耗。但這兩個(gè)目標(biāo)是沖突的，因?yàn)镼CL的器件變小，會(huì)增大損耗。

當(dāng)時(shí)，王智鑫在ETH讀博已有3年，正在考慮畢業(yè)事宜，對(duì)新課題的領(lǐng)域，他并不太熟悉。更糟糕的是，趕上新冠疫情，實(shí)驗(yàn)室的使用也受到干擾。在接下去的半年時(shí)間里，研究沒(méi)有任何進(jìn)展，王智鑫整個(gè)人“很崩潰，也很沮喪”。

但研究思路一直在他的腦中縈繞。終于，王智鑫想到，不如回到最基礎(chǔ)的方向去試一下。

QCL的核心部分是一個(gè)腔體。理想情況下，最簡(jiǎn)單的低損耗腔體就是兩面平行、相對(duì)的鏡子，光在其中來(lái)回反射，如果“跑”不出去又沒(méi)有被吸收，損耗就是零。為了讓這兩面鏡子的反射率最大，鏡面都鍍上了金。

經(jīng)鍍金處理的實(shí)驗(yàn)器件，長(zhǎng)度短至250微米，功耗低至300毫瓦;而一般QCL的長(zhǎng)度是4毫米左右，功耗約10瓦。顯然，第一步成功了——功耗顯著降低。

但這一設(shè)計(jì)有一個(gè)致命的問(wèn)題——由于兩面都鍍金，光根本“跑”不出來(lái)。沒(méi)法用，怎么辦?

王智鑫說(shuō)，搞物理的人喜歡用直覺(jué)思維，要想出光，最直接的辦法就是在鍍金鏡面上打個(gè)眼兒。不過(guò)，開(kāi)孔后會(huì)產(chǎn)生新問(wèn)題，那就是鏡面的反射率隨之下降、激光器損耗隨之上升，功耗還是降不下來(lái)。他心想，管不了那么多了，先做仿真吧。

通過(guò)大量的計(jì)算機(jī)模擬，王智鑫發(fā)現(xiàn)，竟然還真有辦法。對(duì)于4.5微米波長(zhǎng)的光來(lái)說(shuō)，如果在鍍金膜上開(kāi)一個(gè)直徑約990納米的圓孔，不僅出光功率大幅提高，鍍金膜的反射率也同時(shí)提高。換句話說(shuō)，激光器的功率和功耗可以同時(shí)得到優(yōu)化。

發(fā)現(xiàn)新的物理現(xiàn)象

然而，當(dāng)王智鑫跟同組人報(bào)告仿真結(jié)果時(shí)，大家都不相信。這怎么可能呢?透射和反射同時(shí)提高，這似乎違背了能量守恒定律。好比大冬天敞開(kāi)家門(mén)，室內(nèi)的溫度反而變得更熱了。

通過(guò)仔細(xì)研究，王智鑫發(fā)現(xiàn)，光在激光器的腔體中傳播時(shí)，其實(shí)一直被束縛在一個(gè)比較狹小的“管道”(波導(dǎo))里。光被鍍金膜反射后，有一部分“跑”掉了，無(wú)法重新進(jìn)入到“管道”里。如果在鍍金膜上打一個(gè)精確設(shè)計(jì)的小圓孔，那么這個(gè)圓孔會(huì)起到透鏡的作用，把反射的光重新“聚焦”到“管道”里。

相比于沒(méi)有打孔的情況，這時(shí)雖然有光透射出去，出光功率提高了，但是有更多原本被耗散的光，又被聚焦到了“管道”里，進(jìn)入“管道”的反射光也變強(qiáng)了。所以，在激光器出射功率提高的同時(shí)，損耗也降低了。

王智鑫告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，這是傳統(tǒng)幾何光學(xué)無(wú)法解釋的現(xiàn)象，是在特殊條件下才會(huì)出現(xiàn)的。

搞清楚原理后，再經(jīng)過(guò)反復(fù)的嘗試，這一結(jié)果最終得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究者在激光器兩邊的金屬鍍膜上，先后開(kāi)了兩個(gè)直徑950納米的圓孔，這不僅使激光器的出射功率大幅提高，而且最終功耗比之前的世界紀(jì)錄降低了40%以上。

當(dāng)王智鑫將實(shí)驗(yàn)成果向?qū)熣故緯r(shí)，杰羅姆興奮地說(shuō)，“我太激動(dòng)了，它讓我一天都很開(kāi)心!”

雙面鍍金，本是最簡(jiǎn)單、最基礎(chǔ)的低損耗設(shè)計(jì);打孔，也是最直觀的出光辦法。把這些極簡(jiǎn)的設(shè)計(jì)組合在一起，竟然發(fā)現(xiàn)了有違直覺(jué)的現(xiàn)象，還突破了一個(gè)指標(biāo)的世界紀(jì)錄。在王智鑫看來(lái)，這正是物理學(xué)“美”的一面。

導(dǎo)師的一個(gè)夢(mèng)想

王智鑫的導(dǎo)師杰羅姆，以在QCL發(fā)明中的核心作用而聞名。1994年，全球第一臺(tái)QCL由杰羅姆、著名應(yīng)用物理學(xué)家費(fèi)德里科·卡帕索(Federico Capasso)和華人科學(xué)家卓以和等共同研制。

在QCL發(fā)明之前，半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長(zhǎng)主要在可見(jiàn)光和近紅外波段;QCL的問(wèn)世，直接將半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用范圍拓展到中遠(yuǎn)紅外和太赫茲波段。目前，其主要應(yīng)用于環(huán)境檢測(cè)、痕量氣體檢測(cè)等，此外，在軍事方面也有重要應(yīng)用。

目前，QCL的功耗基本都在10瓦以上，相當(dāng)于家用照明LED燈泡的功率。在工作時(shí)，這種器件依賴于強(qiáng)大的散熱系統(tǒng)——它們往往非常笨重，難以便攜移動(dòng)——從而制約了QCL在類(lèi)似無(wú)人機(jī)這樣的移動(dòng)平臺(tái)上使用。

突破尺寸和能耗的制約，是杰羅姆的一個(gè)夢(mèng)。從商業(yè)價(jià)值來(lái)說(shuō)，如果有一天能將QCL裝進(jìn)手機(jī)里，那應(yīng)用場(chǎng)景就普及了。(賀濤)

關(guān)鍵詞： 量子級(jí)聯(lián)激光器 閾值功耗紀(jì)錄 激光器 違反直覺(jué)的物理現(xiàn)象