新研究突破量子级联激光器功耗纪录

　　近日，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH）研究团队突破了量子级联激光器（QCL）的阈值功耗纪录，将纪录拉低了超过40%。但该研究最大的学术亮点不在于此，而是发现了一个新的、违反直觉的物理现象，将激光器的功率和功耗同时优化。

　　1月11日，这项研究发表在《自然-通讯》上。这篇文章的第一作者王智鑫是ETH的博士生（已毕业），也是一名来自中国山西的年轻人。值得一提的是，他还是这篇论文的通讯作者。一个博士生被列为通讯作者，体现了他在这项研究中的贡献。

　　审稿人认为，作者采用的降低中红外QCL功耗的解决方案是原创的，论文又紧凑又好。

　　围绕降低功耗开脑洞

　　QCL是中红外波段主流的激光器类型。但高功耗一直制约其广泛应用。怎么降低QCL的功耗呢？

　　2019年底，王智鑫的导师、ETH物理学教授杰罗姆·法斯特（Jér?觝me Faist）让他去研究这个新课题。一方面要把器件尺寸尽量做小；另一方面尽可能减少器件的能量损耗。但这两个目标是冲突的，因为QCL的器件变小，会增大损耗。

　　当时，王智鑫在ETH读博已有3年，正在考虑毕业事宜，对新课题的领域，他并不太熟悉。更糟糕的是，赶上新冠疫情，实验室的使用也受到干扰。在接下去的半年时间里，研究没有任何进展，王智鑫整个人“很崩溃，也很沮丧”。

　　但研究思路一直在他的脑中萦绕。终于，王智鑫想到，不如回到最基础的方向去试一下。

　　QCL的核心部分是一个腔体。理想情况下，最简单的低损耗腔体就是两面平行、相对的镜子，光在其中来回反射，如果“跑”不出去又没有被吸收，损耗就是零。为了让这两面镜子的反射率最大，镜面都镀上了金。

　　经镀金处理的实验器件，长度短至250微米，功耗低至300毫瓦；而一般QCL的长度是4毫米左右，功耗约10瓦。显然，第一步成功了——功耗显著降低。

　　但这一设计有一个致命的问题——由于两面都镀金，光根本“跑”不出来。没法用，怎么办？

　　王智鑫说，搞物理的人喜欢用直觉思维，要想出光，最直接的办法就是在镀金镜面上打个眼儿。不过，开孔后会产生新问题，那就是镜面的反射率随之下降、激光器损耗随之上升，功耗还是降不下来。他心想，管不了那么多了，先做仿真吧。

　　通过大量的计算机模拟，王智鑫发现，竟然还真有办法。对于4.5微米波长的光来说，如果在镀金膜上开一个直径约990纳米的圆孔，不仅出光功率大幅提高，镀金膜的反射率也同时提高。换句话说，激光器的功率和功耗可以同时得到优化。

　　发现新的物理现象

　　然而，当王智鑫跟同组人报告仿真结果时，大家都不相信。这怎么可能呢？透射和反射同时提高，这似乎违背了能量守恒定律。好比大冬天敞开家门，室内的温度反而变得更热了。

　　通过仔细研究，王智鑫发现，光在激光器的腔体中传播时，其实一直被束缚在一个比较狭小的“管道”（波导）里。光被镀金膜反射后，有一部分“跑”掉了，无法重新进入到“管道”里。如果在镀金膜上打一个精确设计的小圆孔，那么这个圆孔会起到透镜的作用，把反射的光重新“聚焦”到“管道”里。

　　相比于没有打孔的情况，这时虽然有光透射出去，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，进入“管道”的反射光也变强了。所以，在激光器出射功率提高的同时，损耗也降低了。

　　王智鑫告诉《中国科学报》，这是传统几何光学无法解释的现象，是在特殊条件下才会出现的。

　　搞清楚原理后，再经过反复的尝试，这一结果最终得到了实验验证。研究者在激光器两边的金属镀膜上，先后开了两个直径950纳米的圆孔，这不仅使激光器的出射功率大幅提高，而且最终功耗比之前的世界纪录降低了40%以上。

　　当王智鑫将实验成果向导师展示时，杰罗姆兴奋地说，“我太激动了，它让我一天都很开心！”

　　双面镀金，本是最简单、最基础的低损耗设计；打孔，也是最直观的出光办法。把这些极简的设计组合在一起，竟然发现了有违直觉的现象，还突破了一个指标的世界纪录。在王智鑫看来，这正是物理学“美”的一面。

　　导师的一个梦想

　　王智鑫的导师杰罗姆，以在QCL发明中的核心作用而闻名。1994年，全球第一台QCL由杰罗姆、著名应用物理学家费德里科·卡帕索（Federico Capasso）和华人科学家卓以和等共同研制。

　　在QCL发明之前，半导体激光器的发射波长主要在可见光和近红外波段；QCL的问世，直接将半导体激光器的应用范围拓展到中远红外和太赫兹波段。目前，其主要应用于环境检测、痕量气体检测等，此外，在军事方面也有重要应用。

　　目前，QCL的功耗基本都在10瓦以上，相当于家用照明LED灯泡的功率。在工作时，这种器件依赖于强大的散热系统——它们往往非常笨重，难以便携移动——从而制约了QCL在类似无人机这样的移动平台上使用。

　　突破尺寸和能耗的制约，是杰罗姆的一个梦。从商业价值来说，如果有一天能将QCL装进手机里，那应用场景就普及了。

　　相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-021-27927-9