激光被用于從娛樂我們的貓到加密我們的通信的所有事情。不幸的是，激光可能是能量密集型的，許多激光是用砷和鎵等有毒物質制成的。為了使激光更可持續(xù)，必須發(fā)現(xiàn)新的材料和激光發(fā)射機制。12月4日消息，美國南加州大學維特比工程學院的安德里亞·阿瑪尼教授和她的團隊發(fā)現(xiàn)了一種新現(xiàn)象，并將其用于制造一種效率超過40%的激光器，幾乎是其他類似激光器的10倍。激光本身是由硅晶圓上的玻璃環(huán)制成的，硅晶圓表面只有一層硅氧烷分子。因此，它提高了功耗，而且比以前的激光器采用了更可持續(xù)的材料。該研究發(fā)表在《自然光子學》上。

表面拉曼激光是基于拉曼效應的擴展，拉曼效應描述了光與材料的相互作用如何引起分子振動，從而導致發(fā)光。這種激光器的一個獨特之處在于，發(fā)射的波長不是由材料的電子躍遷決定的，而是由材料的振動頻率決定的。換句話說，發(fā)射出的激光可以通過改變入射光來輕松調節(jié)。在之前的工作中，研究人員利用光纖和硅等“塊狀”材料中的拉曼效應制造了拉曼激光器。

拉曼激光有著廣泛的應用范圍，包括軍事通信、顯微術和成像技術，以及用于消融治療的醫(yī)學領域。消融治療是一種破壞腫瘤等異常組織的微創(chuàng)手術。

阿瑪尼說：“我們面臨的挑戰(zhàn)是創(chuàng)造出一種激光，所有入射光都能轉換成發(fā)射光。在普通的固態(tài)拉曼激光中，分子之間相互作用，降低了性能。為了克服這個問題，我們需要開發(fā)一個減少這些交互的系統(tǒng)。”

如果傳統(tǒng)的拉曼激光被認為是我們許多人成長過程中使用的舊的低能量燈泡，那么這項新技術將產生與節(jié)能LED燈泡相當?shù)募す猓偷哪芰枯斎氲玫礁髁恋慕Y果。

阿瑪尼的跨學科團隊，包括化學家、材料科學家和電氣工程師，很快意識到他們可以設計這種激光系統(tǒng)。結合表面化學和納米制造，他們開發(fā)了一種在納米設備上精確形成單分子層的方法。

“把分子想象成一棵樹。”阿瑪尼說，“如果你把分子的底部固定在裝置上，就像把根固定在表面一樣，分子的運動就會受到限制。它不能向任何方向振動。我們發(fā)現(xiàn)，通過限制它的運動，實際上可以提高它的運動效率，因此，它可以像激光一樣工作。”

這些分子附著在一個集成的光子玻璃環(huán)的表面，該環(huán)限制了一個初始光源。環(huán)內的光激發(fā)表面受約束的分子，這些分子隨后發(fā)出激光。值得注意的是，即使材料更少，效率實際上提高了近10倍。表面約束的分子使一種叫做表面受激拉曼的新過程成為可能，這種新的表面過程觸發(fā)了激光效率的提高。

此外，就像傳統(tǒng)的拉曼激光一樣，只要改變環(huán)內的光波長，分子的發(fā)射波長就會改變。這種靈活性是拉曼激光在包括國防、診斷和通信在內的眾多領域如此受歡迎的原因之一。

阿瑪尼說，研究小組通過利用玻璃環(huán)表面的羥基分子群，利用一種被稱為硅烷化表面化學的過程，成功地將分子與玻璃環(huán)表面結合。這個反應形成了一個由精確定向的單個分子組成的單層。

這項研究有可能大大降低操作拉曼激光器所需的輸入功率，并影響許多其他應用。阿瑪尼說：“拉曼效應是20世紀初發(fā)現(xiàn)的一種基本的、獲得諾貝爾獎的科學行為。”