激光。它們用于從娛樂(lè)貓到加密通訊的所有事物。不幸的是，激光可能會(huì)消耗大量能量，并且許多激光是使用砷和鎵等有毒材料制成的。為了使激光更具可持續(xù)性，必須發(fā)現(xiàn)新材料和激光機(jī)制。

南加州大學(xué)維特比工程學(xué)院的安德里亞·阿瑪尼(Andrea Armani)教授和她的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種新現(xiàn)象，并用它制造了效率超過(guò)40%的激光器，幾乎是其他同類激光器的10倍。激光器本身是由硅晶片上的玻璃環(huán)制成的，只有一層硅氧烷分子的單層涂層固定在表面上。因此，與以前的激光器相比，它具有更高的功耗并由更具可持續(xù)性的材料制成。

阿瑪尼(Armani)和她的合著者沉小琴(音譯)和南海大學(xué)化學(xué)工程與材料科學(xué)部莫克家族部門(mén)的崔Hyungwoo Choi的作品;南加州大學(xué)明謝分校電氣與計(jì)算機(jī)工程系的陳冬雨;來(lái)自阿肯色大學(xué)小石城分?；瘜W(xué)系的趙薇和趙薇發(fā)表在《自然光子學(xué)》上。

表面拉曼激光器基于拉曼效應(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(dòng)并導(dǎo)致發(fā)光。這種激光器的一個(gè)獨(dú)特特征是發(fā)射的波長(zhǎng)不是由材料的電子躍遷確定的，而是由材料的振動(dòng)頻率確定的。換句話說(shuō)，通過(guò)改變?nèi)肷涔饪梢匀菀椎卣{(diào)諧發(fā)射的激光。在以前的工作中，研究人員利用光纖和硅等“散裝”材料中的拉曼效應(yīng)制造了拉曼激光器。

拉曼激光器具有廣泛的應(yīng)用，包括軍事通信，顯微鏡和成像，以及在消融治療的醫(yī)學(xué)中，用于破壞異常組織(例如腫瘤)的微創(chuàng)程序。

南加州大學(xué)化學(xué)工程與材料科學(xué)系主任Rayani的阿瑪尼(Armani)說(shuō)，她意識(shí)到，采用不同的策略可能會(huì)從玻璃等可持續(xù)材料中獲得更高性能的拉曼激光器。

阿瑪尼說(shuō)：“挑戰(zhàn)是要制造一種激光器，將所有入射光都轉(zhuǎn)換成發(fā)射光。” “在普通的固態(tài)拉曼激光器中，分子之間都相互作用，從而降低了性能。要克服這一點(diǎn)，我們需要開(kāi)發(fā)一種減少這些相互作用的系統(tǒng)。”

阿瑪尼(Armani)表示，如果將傳統(tǒng)的拉曼激光器視為我們?cè)S多人長(zhǎng)大的老式節(jié)能燈泡，那么這項(xiàng)新技術(shù)將使激光器等效于節(jié)能型LED燈泡。需要較低能量輸入的更明亮結(jié)果。

由化學(xué)家，材料科學(xué)家和電氣工程師組成的Armani跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)迅速意識(shí)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(kāi)發(fā)了一種在納米設(shè)備上精確形成分子單層的方法。

阿瑪尼說(shuō)：“認(rèn)為這種分子就像一棵樹(shù)。” “如果將分子的基部錨定到設(shè)備上，就像將根部錨定到表面上一樣，則分子的運(yùn)動(dòng)受到限制?，F(xiàn)在，它不能只是沿任何方向振動(dòng)。我們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)限制運(yùn)動(dòng)，實(shí)際上可以增加它的運(yùn)動(dòng)效率，以及其作為激光的能力。”

分子附著在集成光子玻璃環(huán)的表面上，從而限制了初始光源。環(huán)內(nèi)部的光激發(fā)受表面約束的分子，隨后發(fā)出激光。值得注意的是，即使材料較少，效率實(shí)際上也提高了近10倍。

該論文的共同主要作者，與Hyungwoo Choi共同撰寫(xiě)的沈曉琴說(shuō)：“受表面約束的分子使一個(gè)稱為“表面受激拉曼”的新過(guò)程得以實(shí)現(xiàn)，這一新的表面過(guò)程觸發(fā)了激光效率的提高。”

另外，就像傳統(tǒng)的拉曼激光一樣，只需簡(jiǎn)單地改變環(huán)內(nèi)部的光的波長(zhǎng)，分子的發(fā)射波長(zhǎng)就會(huì)改變。這種靈活性是為什么拉曼激光器以及現(xiàn)在的表面受激拉曼激光器在國(guó)防，診斷和通信等眾多領(lǐng)域如此受歡迎的原因之一。

阿瑪尼說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)利用一種稱為硅烷化表面化學(xué)的方法，通過(guò)利用表面上的羥基分子團(tuán)(其分子式為OH，含有與氫鍵合的氧)，設(shè)法將分子結(jié)合至玻璃環(huán)的表面。該反應(yīng)形成了精確定向的單個(gè)分子的單層。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)是Armani的一個(gè)充滿激情的項(xiàng)目。自從她成為博士以來(lái)，她一直在追求這一目標(biāo)。學(xué)生。

她說(shuō)：“這是我一直想研究的一個(gè)問(wèn)題，但這不是在正確的時(shí)間，正確的位置和合適的團(tuán)隊(duì)來(lái)回答這一問(wèn)題。”

阿瑪尼說(shuō)，這項(xiàng)研究有可能顯著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。

阿曼尼說(shuō)：“拉曼效應(yīng)是最初在20世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)的，獲得諾貝爾獎(jiǎng)的基本科學(xué)行為。” “為這個(gè)豐富的領(lǐng)域貢獻(xiàn)新事物的想法非常有意義。”