我們(men) 知道，光有不同的波長。在可見光波段，不同波長的光顯示出不同的顏色。紅光的波長大約 700 納米，黃光波長將近 600 納米，而藍光的波長大約 400 納米。

其實，光作為(wei) 一種電磁波，它的波長範圍遠遠不止可見光。生活中常見的夜視儀(yi) ，機場、車站用來監測體(ti) 溫的熱成像儀(yi) ，就是利用中紅外（大約 3-12 微米，1 微米 =1000 納米）這個(ge) 波段的光，但人並不能直接看到它們(men) 。光的頻率和能量成正比：波長越長，頻率越小，能量越低。

要想得到光，就需要有光源。光源有很多種，比如白熾燈、LED、激光器（Laser），等等。激光器離日常生活並不遙遠，常見的光電鼠標，裏麵的發光元件就是激光器。這種激光器作為(wei) 一種半導體(ti) 器件，利用的是電子的躍遷——電子從(cong) 能量高的地方（能級）落到能量低的地方，會(hui) 以發光的形式釋放出能量的差值。與(yu) LED 不同的是，激光器裏這些電子躍遷發出的光，不同光子之間高度一致，它們(men) 擁有完全一樣的頻率。而且激光器發出的光往往功率比較高。單一頻率，高功率，是激光器的兩(liang) 大特點——盡管不是所有激光器都有這兩(liang) 個(ge) 特征。

因為(wei) 不同材料的電子，在躍遷時能量的變化差異很大，所以激光器可以在很多不同的頻率範圍工作。量子級聯激光器（quantum cascade laser，QCL），就是中紅外這個(ge) 波段主流的激光器類型。它的具體(ti) 工作原理比較複雜，在這裏就不贅述了。量子級聯激光器的主要用途是氣體(ti) 監測、環境保護，很多溫室氣體(ti) 的吸收譜集中在中紅外波段，所以基於(yu) QCL 的氣體(ti) 監測係統可以非常靈敏地探測到這些氣體(ti) 。世界著名的瑞士少女峰山頂上，就有一台這樣的 QCL，用來監測大氣層中二氧化碳的濃度。

製約 QCL 廣泛應用的一大因素是高功耗。因為(wei) 特殊的原理，QCL 的功耗基本都在 10W 以上，相當於(yu) 家用照明 LED 燈泡的功率。這種器件在工作時依賴強大的散熱係統，比如水冷；而這些主動散熱的係統往往非常笨重，難以便攜移動，從(cong) 而製約了 QCL 在移動平台（比如無人機）上的使用。

怎麽(me) 降低 QCL 的功耗呢？降低功耗的關(guan) 鍵，一方麵是把器件尺寸盡量做小，另一方麵是盡可能減小器件的能量損耗。激光器的核心部分是一個(ge) 損耗很低的腔體(ti) 。理想情況下，最簡單的低損耗腔體(ti) ，就是兩(liang) 麵平行、相對的鏡子。光在兩(liang) 麵鏡子之間來回反射，如果跑不出去，又沒有被吸收的話，損耗就是零。在設計中，為(wei) 了降低損耗，就要使這兩(liang) 麵 " 鏡子 " 的反射率最大，常見的做法就是在兩(liang) 麵都鍍上金屬（比如黃金）。因為(wei) 金屬的反射率接近 100%，所以這兩(liang) 麵鏡子組成的腔體(ti) 損耗就非常小。

但這樣的設計有一個(ge) 致命的問題，那就是兩(liang) 麵都完全鍍金的話，光就徹底跑不出來了。這樣的激光器雖然損耗很低，但是無法出光，沒什麽(me) 用。那麽(me) 怎麽(me) 讓光跑出來呢？最直接的辦法無疑是在金屬鏡子上開一個(ge) 小孔。開了孔以後，光就能跑出來了，然而鏡麵的反射率隨之下降、激光器損耗會(hui) 隨之上升，功耗還是降不下來。所以我們(men) 在此處最究極的追求，是可以既讓光出來，又不降低損耗，這樣就能把 QCL 的功耗進一步降低了。

通過大量的計算機模擬，我發現還真有這種辦法。對於(yu) 4.5 微米波長的光來說，如果在金屬鍍膜上開一個(ge) 直徑 990 納米的圓孔，不僅(jin) 出光功率可以大幅提高，而且金屬鍍膜的反射率竟然也可以同時提高。換句話說，激光器的功率和功耗可以同時得到優(you) 化。

這怎麽(me) 可能呢？透射和反射同時提高，這似乎違背了能量守恒定律。通過仔細研究發現，激光器的光在被金屬鍍膜反射之後，並不是全部都會(hui) 進入到腔體(ti) 、並反射到另一麵，而是有一部分耗散掉了。光在激光器的腔體(ti) 裏傳(chuan) 播時，其實是一直被束縛在一個(ge) 比較狹小的 " 管道 "（波導）裏。當光被金屬膜反射後，有一部分發散 " 跑 " 掉了，無法重新進入到 " 管道 " 裏。如果在金屬鍍膜上打開一個(ge) 直徑 990 納米的圓孔，那麽(me) 這個(ge) 圓孔實際上會(hui) 起到透鏡的作用，把反射的光重新 " 聚焦 " 到 " 管道 " 裏。相比於(yu) 沒有打孔的情況，這時雖然有光透射出去（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 " 裏，所以進入 " 管道 " 的反射光也變強了。於(yu) 是，在提高激光器出射功率的同時，損耗也降低了，最終實現了下降激光器功耗的目標。

這個(ge) 原理聽上去很簡單，要想實現並不容易。這裏說的圓孔直徑大約 1 微米，是人頭發絲(si) 直徑的 1/70。若論麵積的話，則是頭發絲(si) 切麵麵積的大約五千分之一。這個(ge) 孔不僅(jin) 很小，而且尺寸必須非常精確。我在模擬和實驗時發現，如果孔的直徑誤差超過 100 納米（0.1 微米），降低損耗的效果就無法達到了。

經過反複的探索和嚐試，這一結果最終成功得到了實驗的驗證。我在激光器兩(liang) 邊的金屬鍍膜上，先後打開了兩(liang) 個(ge) 直徑 950 納米的圓形孔。開這兩(liang) 個(ge) 孔之後，不僅(jin) 激光器的出射功率大幅提高，而且（閾值）功耗下降了 25%。這樣下來，最終的（閾值）功耗降低到了 143mW，比之前的世界紀錄低了 40% 以上。這麽(me) 低的功耗，使得激光器連續運行時完全不需要任何散熱係統，而且理論上用電池就能驅動，未來可能會(hui) 廣泛擴展 QCL 的使用場景。遐想一下，也許有一天，在每個(ge) 智能手機上裝一個(ge) QCL 傳(chuan) 感器，也不是沒有可能的事情。

雙麵鍍金，是最簡單、最基礎的低損耗設計。打孔，也是最直觀、最本能的出光辦法。把這些非常簡單的設計組合在一起，竟然實現了有違直覺的現象，還突破了一個(ge) 指標的世界紀錄。這正是物理學 " 美 " 的一麵。簡單本身，就是一種美。我很欣賞段永平說過的一句話，" 堅持做正確的事，簡單但不容易（simple but not easy）"。我想這個(ge) 小小的科研工作，也許算得上 " 簡單但不容易 " 了。