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违反直觉!功率功耗齐优化

来源:中国科学报2022-01-18 10:42

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  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。(贺涛)

  相关论文信息:

  https://doi.org/10.1038/s41467-021-27927-9

[ 责编:赵宇豪 ]
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