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我們知道，光有不同的波長(zhǎng)。在可見(jiàn)光波段，不同波長(zhǎng)的光顯示出不同的顏色。紅光的波長(zhǎng)大約 700 納米，黃光波長(zhǎng)將近 600 納米，而藍(lán)光的波長(zhǎng)大約 400 納米。
其實(shí)，光作為一種電磁波，它的波長(zhǎng)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止可見(jiàn)光。生活中常見(jiàn)的夜視儀，機(jī)場(chǎng)、車(chē)站用來(lái)監(jiān)測(cè)體溫的熱成像儀，就是利用中紅外（大約 3-12 微米，1 微米 =1000 納米）這個(gè)波段的光，但人并不能直接看到它們。光的頻率和能量成正比：波長(zhǎng)越長(zhǎng)，頻率越小，能量越低。
要想得到光，就需要有光源。光源有很多種，比如白熾燈、LED、激光器（Laser），等等。激光器離日常生活并不遙遠(yuǎn)，常見(jiàn)的光電鼠標(biāo)，里面的發(fā)光元件就是激光器。這種激光器作為一種半導(dǎo)體器件，利用的是電子的躍遷——電子從能量高的地方（能級(jí)）落到能量低的地方，會(huì)以發(fā)光的形式釋放出能量的差值。與 LED 不同的是，激光器里這些電子躍遷發(fā)出的光，不同光子之間高度一致，它們擁有完全一樣的頻率。而且激光器發(fā)出的光往往功率比較高。單一頻率，高功率，是激光器的兩大特點(diǎn)——盡管不是所有激光器都有這兩個(gè)特征。
因?yàn)椴煌牧系碾娮樱谲S遷時(shí)能量的變化差異很大，所以激光器可以在很多不同的頻率范圍工作。量子級(jí)聯(lián)激光器（quantum cascade laser，QCL），就是中紅外這個(gè)波段主流的激光器類(lèi)型。它的具體工作原理比較復(fù)雜，在這里就不贅述了。量子級(jí)聯(lián)激光器的主要用途是氣體監(jiān)測(cè)、環(huán)境保護(hù)，很多溫室氣體的吸收譜集中在中紅外波段，所以基于 QCL 的氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以非常靈敏地探測(cè)到這些氣體。世界著名的瑞士少女峰山頂上，就有一臺(tái)這樣的 QCL，用來(lái)監(jiān)測(cè)大氣層中二氧化碳的濃度。
制約 QCL 廣泛應(yīng)用的一大因素是高功耗。因?yàn)樘厥獾脑恚琎CL 的功耗基本都在 10W 以上，相當(dāng)于家用照明 LED 燈泡的功率。這種器件在工作時(shí)依賴(lài)強(qiáng)大的散熱系統(tǒng)，比如水冷；而這些主動(dòng)散熱的系統(tǒng)往往非常笨重，難以便攜移動(dòng)，從而制約了 QCL 在移動(dòng)平臺(tái)（比如無(wú)人機(jī)）上的使用。
怎么降低 QCL 的功耗呢？降低功耗的關(guān)鍵，一方面是把器件尺寸盡量做小，另一方面是盡可能減小器件的能量損耗。激光器的核心部分是一個(gè)損耗很低的腔體。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。光在兩面鏡子之間來(lái)回反射，如果跑不出去，又沒(méi)有被吸收的話，損耗就是零。在設(shè)計(jì)中，為了降低損耗，就要使這兩面 " 鏡子 " 的反射率最大，常見(jiàn)的做法就是在兩面都鍍上金屬（比如黃金）。因?yàn)榻饘俚姆瓷渎式咏?100%，所以這兩面鏡子組成的腔體損耗就非常小。
但這樣的設(shè)計(jì)有一個(gè)致命的問(wèn)題，那就是兩面都完全鍍金的話，光就徹底跑不出來(lái)了。這樣的激光器雖然損耗很低，但是無(wú)法出光，沒(méi)什么用。那么怎么讓光跑出來(lái)呢？最直接的辦法無(wú)疑是在金屬鏡子上開(kāi)一個(gè)小孔。開(kāi)了孔以后，光就能跑出來(lái)了，然而鏡面的反射率隨之下降、激光器損耗會(huì)隨之上升，功耗還是降不下來(lái)。所以我們?cè)诖颂幾罹繕O的追求，是可以既讓光出來(lái)，又不降低損耗，這樣就能把 QCL 的功耗進(jìn)一步降低了。
通過(guò)大量的計(jì)算機(jī)模擬，我發(fā)現(xiàn)還真有這種辦法。對(duì)于 4.5 微米波長(zhǎng)的光來(lái)說(shuō)，如果在金屬鍍膜上開(kāi)一個(gè)直徑 990 納米的圓孔，不僅出光功率可以大幅提高，而且金屬鍍膜的反射率竟然也可以同時(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。
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。通過(guò)仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)，激光器的光在被金屬鍍膜反射之后，并不是全部都會(huì)進(jìn)入到腔體、并反射到另一面，而是有一部分耗散掉了。光在激光器的腔體里傳播時(shí)，其實(shí)是一直被束縛在一個(gè)比較狹小的 " 管道 "（波導(dǎo)）里。當(dāng)光被金屬膜反射后，有一部分發(fā)散 " 跑 " 掉了，無(wú)法重新進(jìn)入到 " 管道 " 里。如果在金屬鍍膜上打開(kāi)一個(gè)直徑 990 納米的圓孔，那么這個(gè)圓孔實(shí)際上會(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），但是有更多原本耗散掉的光，又被聚焦到了 " 管道 " 里，所以進(jìn)入 " 管道 " 的反射光也變強(qiáng)了。于是，在提高激光器出射功率的同時(shí)，損耗也降低了，最終實(shí)現(xiàn)了下降激光器功耗的目標(biāo)。
這個(gè)原理聽(tīng)上去很簡(jiǎn)單，要想實(shí)現(xiàn)并不容易。這里說(shuō)的圓孔直徑大約 1 微米，是人頭發(fā)絲直徑的 1/70。若論面積的話，則是頭發(fā)絲切面面積的大約五千分之一。這個(gè)孔不僅很小，而且尺寸必須非常精確。我在模擬和實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，如果孔的直徑誤差超過(guò) 100 納米（0.1 微米），降低損耗的效果就無(wú)法達(dá)到了。
經(jīng)過(guò)反復(fù)的探索和嘗試，這一結(jié)果最終成功得到了實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。我在激光器兩邊的金屬鍍膜上，先后打開(kāi)了兩個(gè)直徑 950 納米的圓形孔。開(kāi)這兩個(gè)孔之后，不僅激光器的出射功率大幅提高，而且（閾值）功耗下降了 25%。這樣下來(lái)，最終的（閾值）功耗降低到了 143mW，比之前的世界紀(jì)錄低了 40% 以上。這么低的功耗，使得激光器連續(xù)運(yùn)行時(shí)完全不需要任何散熱系統(tǒng)，而且理論上用電池就能驅(qū)動(dòng)，未來(lái)可能會(huì)廣泛擴(kuò)展 QCL 的使用場(chǎng)景。遐想一下，也許有一天，在每個(gè)智能手機(jī)上裝一個(gè) QCL 傳感器，也不是沒(méi)有可能的事情。
雙面鍍金，是最簡(jiǎn)單、最基礎(chǔ)的低損耗設(shè)計(jì)。打孔，也是最直觀、最本能的出光辦法。把這些非常簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)組合在一起，竟然實(shí)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。這正是物理學(xué) " 美 " 的一面。簡(jiǎn)單本身，就是一種美。我很欣賞段永平說(shuō)過(guò)的一句話，" 堅(jiān)持做正確的事，簡(jiǎn)單但不容易（simple but not easy）"。我想這個(gè)小小的科研工作，也許算得上 " 簡(jiǎn)單但不容易 " 了。
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