違反直覺！圍繞降低功耗開腦洞

近日，瑞士蘇黎世聯邦理工學院(ETH)研究團隊突破了量子級聯激光器(QCL)的閾值功耗紀錄，將紀錄拉低了超過40%。但該研究最大的學術亮點不在于此，而是發現了一個新的、違反直覺的物理現象，將激光器的功率和功耗同時優化。

1月11日，這項研究發表在《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)，也是一名來自中國山西的年輕人。值得一提的是，他還是這篇論文的通訊作者。一個博士生被列為通訊作者，體現了他在這項研究中的貢獻。

審稿人認為，作者采用的降低中紅外QCL功耗的解決方案是原創的，論文又緊湊又好。

圍繞降低功耗開腦洞

QCL是中紅外波段主流的激光器類型。但高功耗一直制約其廣泛應用。怎么降低QCL的功耗呢?

2019年底，王智鑫的導師、ETH物理學教授杰羅姆·法斯特讓他去研究這個新課題。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。但這兩個目標是沖突的，因為QCL的器件變小，會增大損耗。

當時，王智鑫在ETH讀博已有3年，正在考慮畢業事宜，對新課題的領域，他并不太熟悉。更糟糕的是，趕上新冠疫情，實驗室的使用也受到干擾。在接下去的半年時間里，研究沒有任何進展，王智鑫整個人“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，不如回到最基礎的方向去試一下。

QCL的核心部分是一個腔體。理想情況下，最簡單的低損耗腔體就是兩面平行、相對的鏡子，光在其中來回反射，如果“跑”不出去又沒有被吸收，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。

經鍍金處理的實驗器件，長度短至250微米，功耗低至300毫瓦;而一般QCL的長度是4毫米左右，功耗約10瓦。顯然，第一步成功了——功耗顯著降低。

但這一設計有一個致命的問題——由于兩面都鍍金，光根本“跑”不出來。沒法用，怎么辦?

王智鑫說，搞物理的人喜歡用直覺思維，要想出光，最直接的辦法就是在鍍金鏡面上打個眼兒。不過，開孔后會產生新問題，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。他心想，管不了那么多了，先做仿真吧。

通過大量的計算機模擬，王智鑫發現，竟然還真有辦法。對于4.5微米波長的光來說，如果在鍍金膜上開一個直徑約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提高。換句話說，激光器的功率和功耗可以同時得到優化。

發現新的物理現象

然而，當王智鑫跟同組人報告仿真結果時，大家都不相信。這怎么可能呢?透射和反射同時提高，這似乎違背了能量守恒定律。好比大冬天敞開家門，室內的溫度反而變得更熱了。

通過仔細研究，王智鑫發現，光在激光器的腔體中傳播時，其實一直被束縛在一個比較狹小的“管道”(波導)里。光被鍍金膜反射后，有一部分“跑”掉了，無法重新進入到“管道”里。如果在鍍金膜上打一個精確設計的小圓孔，那么這個圓孔會起到透鏡的作用，把反射的光重新“聚焦”到“管道”里。

相比于沒有打孔的情況，這時雖然有光透射出去，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，進入“管道”的反射光也變強了。所以，在激光器出射功率提高的同時，損耗也降低了。

王智鑫告訴《中國科學報》，這是傳統幾何光學無法解釋的現象，是在特殊條件下才會出現的。

搞清楚原理后，再經過反復的嘗試，這一結果最終得到了實驗驗證。研究者在激光器兩邊的金屬鍍膜上，先后開了兩個直徑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錄降低了40%以上。

當王智鑫將實驗成果向導師展示時，杰羅姆興奮地說，“我太激動了，它讓我一天都很開心!”

雙面鍍金，本是最簡單、最基礎的低損耗設計;打孔，也是最直觀的出光辦法。把這些極簡的設計組合在一起，竟然發現了有違直覺的現象，還突破了一個指標的世界紀錄。在王智鑫看來，這正是物理學“美”的一面。

導師的一個夢想

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

在QCL發明之前，半導體激光器的發射波長主要在可見光和近紅外波段;QCL的問世，直接將半導體激光器的應用范圍拓展到中遠紅外和太赫茲波段。目前，其主要應用于環境檢測、痕量氣體檢測等，此外，在軍事方面也有重要應用。

目前，QCL的功耗基本都在10瓦以上，相當于家用照明LED燈泡的功率。在工作時，這種器件依賴于強大的散熱系統——它們往往非常笨重，難以便攜移動——從而制約了QCL在類似無人機這樣的移動平臺上使用。

突破尺寸和能耗的制約，是杰羅姆的一個夢。從商業價值來說，如果有一天能將QCL裝進手機里，那應用場景就普及了。(賀濤)

標簽： 降低功耗 實驗器件 物理現象 解決方案