作者:贺涛 来源:科学网微信公号 发布时间:2022/1/17 20:59:03
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博士生一作发布重要成果!发现反直觉物理现象

 

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网站公布的信息,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,“Im 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。杰罗姆因在QCL上的卓越贡献,曾经获得多个科学奖项。

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。

 
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