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。