“我是量子级联激光器（QCL）的发明人杰罗姆·法斯特（Jérôme Faist）教授的第一个中国博士生，因为他过几年要退休了，也可能是最后一个中国学生。杰罗姆担任过 ETH 的物理系系主任，获得过 IEEE 金奖，是全球 QCL、乃至整个半导体激光器领域当之无愧的泰斗。”
师从这位泰斗的学生叫王智鑫，生于 1991，祖籍河北省高碑店市，出生、生长在山西省太原市。中学通过物理竞赛保送北大物理学院；本科毕业后，又保送至北大信息科学技术学院电子系读研，硕士期间以第一作者发表 3 篇国际期刊，还曾获得过国家奖学金。
2017 年，他来到爱因斯坦的母校、瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）读博士，师从 QCL 的发明人杰罗姆·法斯特（Jérôme Faist）教授。
2021 年 12 月 6 日，他以第一作者身份在 Nature Communications 发表了题为《通过金属圆孔通过相位前工程实现超低阈值激射》（Ultra-low threshold lasing through phase front engineering via a metallic circular aperture）的论文[1]。
图 | 相关论文（来源：Nature Communications）其表示，该论文重点解决了量子级联激光器的阈值功耗问题。量子级联激光器（Quantum cascade laser，QCL），是中红外波段主流的激光器类型。
与传统的带间跃迁（interband）激光器不同，量子级联激光器是基于带内跃迁（intersubband transition），跃迁的两个能级都在导带。
因为跃迁的能量由量子阱（quantum well）的宽度决定，所以激光器的波长可以在一定范围内自由控制。
和量子级联激光器的发明者一起做研究
量子级联激光器 1994 年由王智鑫的导师杰罗姆发明。当前，QCL 的主要用途是气体监测、环境保护等。因为很多温室气体的吸收谱集中在中红外波段，所以基于 QCL 的气体监测系统可以非常灵敏地探测到这些气体。世界著名的瑞士少女峰山顶上，就有一台这样的 QCL，用来监测大气层中二氧化碳的浓度。
图 | 少女峰顶的科学研究站（来源：https://www.empa.ch/web/s503/co2-stable-isotopes）制约 QCL 广泛应用的一大因素是高功耗。因为级联的特性和相对较低的带内跃迁效率，QCL 的功耗基本都在 10W 以上，相当于家用照明 LED 灯泡的功率。这种器件在工作时依赖强大的散热系统，比如水冷；而这些主动散热的系统往往非常笨重，难以便携移动，从而制约了 QCL 在移动平台（比如无人机）上的使用。
如何降低 QCL 的功耗呢？降低功耗的关键，一方面是把器件尺寸尽量做小，另一方面是尽可能减小器件的能量损耗。激光器的核心部分是一个损耗很低的谐振腔。理想情况下，最简单的低损耗谐振腔，就是两面平行、相对的镜子。光在两面镜子之间来回反射，如果跑不出去，又没有被吸收的话，损耗就是零。
在设计中，为了降低损耗，就要使这两面“镜子”的反射率最大，常见做法是在两面都镀上金属（比如黄金）。因为金属的反射率接近 100%，所以这两面镜子组成的腔体损耗就非常小。
但这样的设计有一个致命的问题，两面都完全镀金的话，光就彻底跑不出来。这样的激光器虽然损耗很低，但是无法出光，没什么用。那么怎么让光跑出来呢？最直接的办法无疑是在金属镜子上开一个小孔。
开了孔以后，光就能跑出来了，然而镜面的反射率随之下降、激光器损耗会随之上升，功耗还是降不下来。所以王智鑫在此处最究极的追求，是可以既让光出来，又不降低损耗，这样就能把 QCL 的功耗进一步降低。
通过大量的计算机模拟，他发现还真有这种办法。对于 4.5 微米波长的光来说，如果在金属镀膜上开一个直径 990 纳米的圆孔，不仅出光功率可以大幅提高，而且金属镀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。
图 | 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（来源：Nature Communications）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。通过仔细研究发现，激光器的光在被金属镀膜反射之后，并不是全部都会进入到腔体、并反射到另一面，而是有一部分耗散掉了。
光在激光器的腔体里传播时，其实一直被束缚在一个比较狭小的“管道”（波导）里。当光被金属膜反射后，有一部分发散“跑”掉，无法重新进入到“管道”里。如果在金属镀膜上打开一个直径 990 纳米的圆孔，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。
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），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，最终实现了下降激光器功耗的目标。
（来源：Nature Communications）原理听上去很简单，要想实现并不容易。这里说的圆孔直径大约 1 微米，是人头发丝直径的 1/70。若论面积的话，则是头发丝切面面积的大约五千分之一。这个孔不仅很小，而且尺寸必须非常精确。王智鑫在模拟和实验时发现，如果孔的直径误差超过 100 纳米（0.1 微米），降低损耗的效果就无法达到。
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。他在激光器两边的金属镀膜上，先后打开两个直径 950 纳米的圆形孔。开这两个孔之后，不仅激光器的出射功率大幅提高，而且（阈值）功耗下降了 25%。这样下来，最终的（阈值）功耗降低到了 143MW，比之前的世界纪录低了 40% 以上。
图 | 本工作中 QCL 器件和打孔镀膜的示意图（来源：Nature Communications）不过，最一开始得到这个低阈值功耗 QCL 课题时，他和导师都没有什么好想法。当时因为他有研究光子晶体（一种较为复杂的周期性光学结构）的经验，导师让他用电脑模拟的办法，尝试各种各样不同的设计，无论有多么复杂，先找到一种实现低阈值的可行设计。然而过去了半年时间，尝试了几种不同的方案，始终没有满意的结果。
后来有一天，他们商量说要不先不考虑出光，就试试最简单的双面镀金设计，看看能把阈值功耗降低到多少。于是，他就让做工艺的同事（文章的第二作者）把 QCL 切成 250 微米长。一般的 QCL 长度大约是 2-6 毫米，而 250 微米已经是机械切割的尺寸极限了。
他把这个器件两面镀金之后拿去测试，发现其实结果还不错，阈值确实很低，令人满意。所以实际上，只需要解决出光的问题，就可以得到比较好的结果。
要实现出光也有很多不同的设计，在端面的镀膜上打一个洞，也是最“简单粗暴”的想法。当时导师跟王智鑫说，如果开洞的尺寸合适，说不定可以让反射率不降反增。
一开始他是不相信的，后来做了很多计算机模拟之后，果真看到了这个现象。但那时还不敢确信，因为实在是违反直觉，所以一度怀疑是出现了模拟的数值误差。
后面就是实验的部分，首先要解决的是，怎么样在镀膜上打一个直径大约 1 微米的小洞。当时正好学校购置了新的聚焦离子束磨蚀（focused ion beam milling, FIB）设备，他就参加了培训。获得使用权限以后，又要解决很多其他的具体问题。
比如怎么在一个完全均匀的镀膜上、在“看不见”波导的情况下，让小孔精确地对准波导。为了解决磨蚀的角度问题，王智鑫还专门设计了用来承载样品的机械转接件，等等。经过一段时间的尝试之后，终于解决了打孔的技术困难。
最早的在 QCL 的镀膜上打孔之后，他发现出光功率大幅提升了，但是开孔之后阈值仍然有小幅的上升。其实这个结果已经很好，但还是不太满意。后来发现是因为开的孔尺寸不够精确，有大约 100 纳米的偏差。
再经过反复的尝试，终于实现了对于镀膜厚度、小孔尺寸、对准等各个方面的精确控制，也就得到了这个工作中最终呈现的结果。
采用马斯克“第一性原理”，系统性探究微小尺寸 QCL 上光损耗的控制原理
马斯克喜欢说“第一性原理”，也就是回到事物的本源去思考。总结来说，王智鑫也抱着类似想法做研究，觉得既然没有思路，干脆就试试最最简单的双面镀金设计好——看看数值怎么样，心里也能有个数。正是这个不太抱希望的尝试，最终为整个课题打开了一道曙光，指引他们最终实现了论文中的工作。
该研究除了大幅降低 QCL 的阈值功耗之外，更重要的贡献是系统性地探究了微小尺寸 QCL 上光损耗的控制原理。实现低功耗 QCL 的设计并不限于该论文的方案，但是这一原理却是所有后续工作中都必须考虑的方面。
研究中，王智鑫已经实现无散热连续工作的 QCL，这一结果可以扩展 QCL 在更广泛的场景上、尤其是移动平台的应用。未来如果在此基础上，进一步解决大规模并行制备的工艺，还可以将 QCL 的成本降低一个甚至几个数量级。
如果实现这一点的话，将来基于 QCL 的传感系统设计，可能会深入我们生活的方方面面。如果将来有一天，每个智能手机上有一个用来监测空气成分的 QCL，也许不是没有可能。
在该工作的基础上，王智鑫希望进一步解决制约大规模量产的技术瓶颈。如果成功的话，可以显著降低 QCL 的成本，将会在工业意义上对整个 QCL 产业带来重大影响。
另据悉，博士毕业后，王智鑫加入瑞士一家做光学光刻机的公司 Eulitha AG，担任光学研究员，从事光栅衍射、塔伯光刻（Talbot lithography）等方向的研究。
