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(zhì)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(jī)制。12月4日消息，美國南加州大學(xué)維特比工程學(xué)院的安德里亞·阿瑪尼教授和她的團(tuán)隊(duì)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(xué)》上。

表面拉曼激光是基于拉曼效應(yīng)的擴(kuò)展，拉曼效應(yīng)描述了光與材料的相互作用如何引起分子振動，從而導(dǎo)致發(fā)光。這種激光器的一個獨(dú)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?nèi)肷涔鈦磔p松調(diào)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(yīng)制造了拉曼激光器。

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

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(zhuǎn)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(rèn)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(xiàng)新技術(shù)將產(chǎn)生與節(jié)能LED燈泡相當(dāng)?shù)募す猓偷哪芰枯斎氲玫礁髁恋慕Y(jié)果。

阿瑪尼的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)，包括化學(xué)家、材料科學(xué)家和電氣工程師，很快意識到他們可以設(shè)計(jì)這種激光系統(tǒng)。結(jié)合表面化學(xué)和納米制造，他們開發(fā)了一種在納米設(shè)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(yùn)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(yùn)動，實(shí)際上可以提高它的運(yùn)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(nèi)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(shí)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(nèi)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(nèi)的眾多領(lǐng)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(xué)的過程，成功地將分子與玻璃環(huán)表面結(jié)合。這個反應(yīng)形成了一個由精確定向的單個分子組成的單層。

這項(xiàng)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(yīng)用。阿瑪尼說：“拉曼效應(yīng)是20世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)的一種基本的、獲得諾貝爾獎的科學(xué)行為。”