简单但不容易——突破量子级联激光器的阈值功耗纪录

这是一篇科普文章,介绍我的一项科研成果。

我们知道,光有不同的波长。在可见光波段,不同波长的光显示出不同的颜色。红光的波长大约700纳米,黄光波长将近600纳米,而蓝光的波长大约400纳米。

其实,光作为一种电磁波,它的波长范围远远不止可见光。生活中常见的夜视仪,机场、车站用来监测体温的热成像仪,就是利用中红外(大约3-12微米,1微米=1000纳米)这个波段的光,但人并不能直接看到它们。光的频率和能量成正比:波长越长,频率越小,能量越低。

要想得到光,就需要有光源。光源有很多种,比如白炽灯、LED、激光器(Laser),等等。激光器离日常生活并不遥远,常见的光电鼠标,里面的发光元件就是激光器。这种激光器作为一种半导体器件,利用的是电子的跃迁——电子从能量高的地方(能级)落到能量低的地方,会以发光的形式释放出能量的差值。与LED不同的是,激光器里这些电子跃迁发出的光,不同光子之间高度一致,它们拥有完全一样的频率。而且激光器发出的光往往功率比较高。单一频率,高功率,是激光器的两大特点——尽管不是所有激光器都有这两个特征。

因为不同材料的电子,在跃迁时能量的变化差异很大,所以激光器可以在很多不同的频率范围工作。量子级联激光器(quantum cascade laser,QCL),就是中红外这个波段主流的激光器类型。它的具体工作原理比较复杂,在这里就不赘述了。量子级联激光器的主要用途是气体监测、环境保护,很多温室气体的吸收谱集中在中红外波段,所以基于QCL的气体监测系统可以非常灵敏地探测到这些气体。世界著名的瑞士少女峰山顶上,就有一台这样的QCL,用来监测大气层中二氧化碳的浓度。

制约QCL广泛应用的一大因素是高功耗。因为特殊的原理,QCL的功耗基本都在10W以上,相当于家用照明LED灯泡的功率。这种器件在工作时依赖强大的散热系统,比如水冷;而这些主动散热的系统往往非常笨重,难以便携移动,从而制约了QCL在移动平台(比如无人机)上的使用。

怎么降低QCL的功耗呢?降低功耗的关键,一方面是把器件尺寸尽量做小,另一方面是尽可能减小器件的能量损耗。激光器的核心部分是一个损耗很低的腔体。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。光在两面镜子之间来回反射,如果跑不出去,又没有被吸收的话,损耗就是零。在设计中,为了降低损耗,就要使这两面“镜子”的反射率最大,常见的做法就是在两面都镀上金属(比如黄金)。因为金属的反射率接近100%,所以这两面镜子组成的腔体损耗就非常小。

但这样的设计有一个致命的问题,那就是两面都完全镀金的话,光就彻底跑不出来了。这样的激光器虽然损耗很低,但是无法出光,没什么用。那么怎么让光跑出来呢?最直接的办法无疑是在金属镜子上开一个小孔。开了孔以后,光就能跑出来了,然而镜面的反射率随之下降、激光器损耗会随之上升,功耗还是降不下来。所以我们在此处最究极的追求,是可以既让光出来,又不降低损耗,这样就能把QCL的功耗进一步降低了。

通过大量的计算机模拟,我发现还真有这种办法。对于4.5微米波长的光来说,如果在金属镀膜上开一个直径990纳米的圆孔,不仅出光功率可以大幅提高,而且金属镀膜的反射率竟然也可以同时提高。换句话说,激光器的功率和功耗可以同时得到优化。

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。通过仔细研究发现,激光器的光在被金属镀膜反射之后,并不是全部都会进入到腔体、并反射到另一面,而是有一部分耗散掉了。光在激光器的腔体里传播时,其实是一直被束缚在一个比较狭小的“管道”(波导)里。当光被金属膜反射后,有一部分发散“跑”掉了,无法重新进入到“管道”里。如果在金属镀膜上打开一个直径990纳米的圆孔,那么这个圆孔实际上会起到透镜的作用,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),但是有更多原本耗散掉的光,又被聚焦到了“管道”里,所以进入“管道”的反射光也变强了。于是,在提高激光器出射功率的同时,损耗也降低了,最终实现了下降激光器功耗的目标。

这个原理听上去很简单,要想实现并不容易。这里说的圆孔直径大约1微米,是人头发丝直径的1/70。若论面积的话,则是头发丝切面面积的大约五千分之一。这个孔不仅很小,而且尺寸必须非常精确。我在模拟和实验时发现,如果孔的直径误差超过100纳米(0.1微米),降低损耗的效果就无法达到了。

经过反复的探索和尝试,这一结果最终成功得到了实验的验证。我在激光器两边的金属镀膜上,先后打开了两个直径950纳米的圆形孔。开这两个孔之后,不仅激光器的出射功率大幅提高,而且(阈值)功耗下降了25%。这样下来,最终的(阈值)功耗降低到了143mW,比之前的世界纪录低了40%以上。这么低的功耗,使得激光器连续运行时完全不需要任何散热系统,而且理论上用电池就能驱动,未来可能会广泛扩展QCL的使用场景。遐想一下,也许有一天,在每个智能手机上装一个QCL传感器,也不是没有可能的事情。

双面镀金,是最简单、最基础的低损耗设计。打孔,也是最直观、最本能的出光办法。把这些非常简单的设计组合在一起,竟然实现了有违直觉的现象,还突破了一个指标的世界纪录。这正是物理学“美”的一面。简单本身,就是一种美。我很欣赏段永平说过的一句话,“坚持做正确的事,简单但不容易(simple but not easy)”。我想这个小小的科研工作,也许算得上“简单但不容易”了。

相关论文发表于Nature Communications

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精彩评论

为国为民侠之大者01-12 18:43

划重点:Nature Communications

运动的海01-13 00:10

是不是可以做成各种场合的碳监测仪

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刘轶南_教师_珠海03-10 15:26

恭喜

小苇爸说01-15 21:22

这个不得不点赞转发。虽然已经离开科研,但是看到同领域中的的同道取得这么好的成就,还是挺钦羡。

苏州工业园区01-15 01:02

字节的信徒过于狂热了
一个企业关键看为用户提供多少价值,圈多少用户服务不到位有什么用呢?YouTube有字节这么狂吗??哎哎哎

lulalula01-13 20:14

那b还是bilibili吧,字节别进去并列了。单独一档位于bat之上挺好的。国内抖音日活是b站十倍,国外tiktok月活十亿未来奔20亿去的。这样的字节跟b站并列说实话挺侮辱人的要是b站取得这样的成绩那不得旷古烁金宇宙第一企?

苏州工业园区01-13 19:02

也不是没有可能,我挺看好的,BAT未来可能是个复合物
B指代字节、百度、B站