两面相对的镜子(镜反射只能反射光线吗)
作者｜贺涛
短短5天内，先是喜添贵子，然后喜提Nature子刊。对于科研和人生来说，这无疑达到了一个小巅峰。
苏黎世联邦理工学院（ETH）博士生王智鑫戴上了这个主角光环。他所在的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40%以上。
但其最大学术亮点还不在于此，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。
王智鑫作为一作的这项研究于1月11日发表在Nature Communications（《自然通讯》）上。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，也体现了他在这项研究中的贡献。
根据Nature Communications网站公布，审稿人认为，作者采用的降低中红外QCL功耗解决方案是原创的，文章质量也又紧凑又好。
围绕降低功耗开脑洞
量子级联激光器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年年底，王智鑫的导师、ETH物理学家杰罗姆·法斯特（Jérôme Faist）教授让他去开展这个新课题。一方面要把器件尺寸尽量做小，另一方面尽可能减小器件的能量损耗。这两个目标其实是冲突的，因为QCL的器件变小，会增大损耗。
当时，王智鑫已经在ETH读博3年了，正在考虑毕业事宜，新课题的领域方向他并不太熟悉。更糟糕的是，还赶上疫情封锁，实验室的使用也受干扰。他一下就抓了瞎，接下去的半年时间，没有任何进展，整个人“很崩溃，也很沮丧”。
但研究思路一直在头脑中奔跑，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，又没有被吸收的话，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，长度做到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，实现了功耗的显著降低。
但这样设计有一个致命的问题，那就是由于两面都完全镀金，光根本跑不出来，没法用，怎么办？
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，就是镜面的反射率随之下降、激光器损耗反而随之上升，功耗还是降不下来。
但管不了那么多了，先做仿真吧。
王智鑫
王智鑫通过大量的计算机模拟，竟然发现还真有办法。对于4.5微米波长的光来说，如果在镀金膜上开一个直径大约990纳米的圆孔，不仅出光功率可以大幅提高，而且镀金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。
在特定的亚波长尺寸范围内，开孔可以提高金属镀膜的模式反射率（图片出处为本文的论文）
发现新的物理现象
王智鑫把仿真结果跟同组人讲，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。好比在大冬天敞开家门，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，那么这个圆孔实际上会起到透镜的作用，把反射的光重新“聚焦”到“管道”里。
金属镀膜上的小孔实现类似于聚焦的效果
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。
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现象。
原理搞清楚了，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。研究者在激光器两边的金属镀膜上，先后打开了两个直径950纳米的圆孔，这不仅将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，“I'm very excited.It made my day.”（我太激动了，它让我一天都很开心）。
简单本身，就是一种美。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、最本能的出光办法。把这些极简的设计组合在一起，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。
在王智鑫看来，这正是物理学“美”的一面。
导师人设：一半是物理学家，一半是工程师
王智鑫的导师杰罗姆，以在量子级联激光器发明中的核心作用而闻名。
1994年，全球第一台QCL由杰罗姆，著名的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。
ETH物理学家杰罗姆·法斯特
杰罗姆的Google schoolar引用数超过4.5万，H指数达104，在该领域内具有很高排名。圈内还有传闻称，杰罗姆因在QCL上的卓越贡献，曾经被列为诺贝尔奖提名。
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，如激光制导、毒气检测、激光雷达、自由空间通讯等。
世界著名的瑞士少女峰山顶上，就有一台QCL。十余年来，它一直在持续监测大气层中二氧化碳的浓度。
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。
王智鑫喜欢举垂直腔面发射激光器（VCSEL）的例子，来说明一项研究所蕴含的商业价值。
VCSEL随着尺寸和能耗的缩小，经历了两次大发展。第一次就是VCSEL用于光电鼠标，产业规模瞬间就爆了；第二次就是智能手机引入VCSEL，当作3D传感摄像头的关键元器件。找到一个普适性场景，就能极大地提高商业价值。
杰罗姆热衷于将科技成果用于商业化。他曾表示，“我觉得自己一半是物理学家，一半是工程师。如果只涉及我的一半，我会不高兴。”
即使是做非常基础的研究，杰罗姆也总是想着什么可以用于实际应用。他参与创办了Alpes Lasers、IR Sweep和Miro Analytical等公司，不放过将实验室技术商业化的任何机会。
曾被这项研究折磨得几近崩溃的王智鑫，如今能够平淡地回忆研究过程。他表示，发期刊最开心的时刻是实验成功的时候，因为觉得自己的辛苦没有白费，自己好像把人类认知的边界往前推动了一点点，这种超越自身的成就感是很令人开心的。
导师和王智鑫 受访者供图
等到投稿，修改，历经各种波折，最后文章成功发表出来的时候，其实没有什么特别的感觉。
王智鑫在山西太原出生和长大，本科和硕士研究生阶段，都是在北京大学度过的。
如今刚过30岁的他认为，发文章已经是过去时了，生子才是人生新的开始。他表示，生孩子的感觉很复杂，除了幸福，也有忐忑和压力，他不知道自己能否胜任一个好父亲的角色。
如今，王智鑫已经博士毕业，加入了瑞士一家小型科技公司，主要在AR领域发展。
