我們知道，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，光作為一種電磁波，它的波長范圍遠遠不止可見光。生活中常見的夜視儀，機場、車站用來監測體溫的熱成像儀，就是利用中紅外（大約 3-12 微米，1 微米 =1000 納米）這個波段的光，但人并不能直接看到它們。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。激光器離日常生活并不遙遠，常見的光電鼠標，里面的發光元件就是激光器。這種激光器作為一種半導體器件，利用的是電子的躍遷——電子從能量高的地方（能級）落到能量低的地方，會以發光的形式釋放出能量的差值。與 LED 不同的是，激光器里這些電子躍遷發出的光，不同光子之間高度一致，它們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，是激光器的兩大特點——盡管不是所有激光器都有這兩個特征。

因為不同材料的電子，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范圍工作。量子級聯激光器（quantum cascade laser，QCL），就是中紅外這個波段主流的激光器類型。它的具體工作原理比較復雜，在這里就不贅述了。量子級聯激光器的主要用途是氣體監測、環境保護，很多溫室氣體的吸收譜集中在中紅外波段，所以基于 QCL 的氣體監測系統可以非常靈敏地探測到這些氣體。世界著名的瑞士少女峰山頂上，就有一臺這樣的 QCL，用來監測大氣層中二氧化碳的濃度。

制約 QCL 廣泛應用的一大因素是高功耗。因為特殊的原理，QCL 的功耗基本都在 10W 以上，相當于家用照明 LED 燈泡的功率。這種器件在工作時依賴強大的散熱系統，比如水冷；而這些主動散熱的系統往往非常笨重，難以便攜移動，從而制約了 QCL 在移動平臺（比如無人機）上的使用。

怎么降低 QCL 的功耗呢？降低功耗的關鍵，一方面是把器件尺寸盡量做小，另一方面是盡可能減小器件的能量損耗。激光器的核心部分是一個損耗很低的腔體。理想情況下，最簡單的低損耗腔體，就是兩面平行、相對的鏡子。光在兩面鏡子之間來回反射，如果跑不出去，又沒有被吸收的話，損耗就是零。在設計中，為了降低損耗，就要使這兩面 " 鏡子 " 的反射率最大，常見的做法就是在兩面都鍍上金屬（比如黃金）。因為金屬的反射率接近 100%，所以這兩面鏡子組成的腔體損耗就非常小。

但這樣的設計有一個致命的問題，那就是兩面都完全鍍金的話，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，沒什么用。那么怎么讓光跑出來呢？最直接的辦法無疑是在金屬鏡子上開一個小孔。開了孔以后，光就能跑出來了，然而鏡面的反射率隨之下降、激光器損耗會隨之上升，功耗還是降不下來。所以我們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。對于 4.5 微米波長的光來說，如果在金屬鍍膜上開一個直徑 990 納米的圓孔，不僅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化。

這怎么可能呢？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后，并不是全部都會進入到腔體、并反射到另一面，而是有一部分耗散掉了。光在激光器的腔體里傳播時，其實是一直被束縛在一個比較狹小的 " 管道 "（波導）里。當光被金屬膜反射后，有一部分發散 " 跑 " 掉了，無法重新進入到 " 管道 " 里。如果在金屬鍍膜上打開一個直徑 990 納米的圓孔，那么這個圓孔實際上會起到透鏡的作用，把反射的光重新 " 聚焦 " 到 " 管道 " 里。相比于沒有打孔的情況，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 " 里，所以進入 " 管道 " 的反射光也變強了。于是，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。

這個原理聽上去很簡單，要想實現并不容易。這里說的圓孔直徑大約 1 微米，是人頭發絲直徑的 1/70。若論面積的話，則是頭發絲切面面積的大約五千分之一。這個孔不僅很小，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。

經過反復的探索和嘗試，這一結果最終成功得到了實驗的驗證。我在激光器兩邊的金屬鍍膜上，先后打開了兩個直徑 950 納米的圓形孔。開這兩個孔之后，不僅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。這么低的功耗，使得激光器連續運行時完全不需要任何散熱系統，而且理論上用電池就能驅動，未來可能會廣泛擴展 QCL 的使用場景。遐想一下，也許有一天，在每個智能手機上裝一個 QCL 傳感器，也不是沒有可能的事情。

雙面鍍金，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，還突破了一個指標的世界紀錄。這正是物理學 " 美 " 的一面。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）"。我想這個小小的科研工作，也許算得上 " 簡單但不容易 " 了。