Molekylære vibrationer fører til højtydende laser

Lasere. De bruges til alt fra at underholde vores katte til at kryptere vores kommunikation. Desværre, lasere kan være energikrævende, og mange fremstilles ved hjælp af giftige materialer som arsen og gallium. For at gøre lasere mere bæredygtige, nye materialer og lasermekanismer skal opdages.

Professor Andrea Armani og hendes team på USC Viterbi School of Engineering har opdaget et nyt fænomen og brugt det til at lave en laser med over 40 procent effektivitet - næsten 10 gange højere end andre lignende lasere. Selve laseren er lavet af en glasring på en siliciumwafer med kun en monolagsbelægning af siloxanmolekyler forankret til overfladen. Dermed, den har forbedret strømforbrug og er fremstillet af mere bæredygtige materialer end tidligere lasere.

Arbejdet fra Armani og hendes medforfattere Xiaoqin Shen og Hyungwoo Choi fra USC's Mork Family Department of Chemical Engineering and Material Science; Dongyu Chen fra USC's Ming Hsieh Department of Electrical and Computer Engineering; og Wei Zhao, fra Institut for Kemi ved University of Arkansas i Little Rock, blev offentliggjort i Natur fotonik .

Raman-overfladelaseren er baseret på en forlængelse af Raman-effekten, som beskriver, hvordan lysets interaktion med et materiale kan fremkalde molekylære vibrationer, der resulterer i lysudsendelse. Et unikt træk ved denne type laser er, at den udsendte bølgelængde ikke er defineret af materialets elektroniske overgange, men i stedet bestemmes det af materialets vibrationsfrekvens. Med andre ord, det udsendte laserlys kan nemt indstilles ved at ændre det indfaldende lys. I tidligere arbejde, forskere har lavet Raman-lasere, der udnytter Raman-effekten i "bulk" materiale, som optisk fiber og silicium.

Raman-lasere har en bred vifte af applikationer, herunder militær kommunikation, mikroskopi og billeddannelse, og i medicin til ablationsterapi, en minimalt invasiv procedure til at ødelægge unormalt væv såsom tumorer.

Armani, USC's Ray Irani-stol i kemiteknik og materialevidenskab, sagde, at hun indså, at en anden strategi kunne give endnu højere ydeevne Raman-lasere fra bæredygtige materialer som glas.

"Udfordringen var at skabe en laser, hvor alt det indfaldende lys ville blive omdannet til udsendt lys, " sagde Armani. "I en normal solid-state Raman laser, molekylerne interagerer alle med hinanden, reducerer ydeevnen. For at overvinde dette, vi var nødt til at udvikle et system, hvor disse interaktioner blev reduceret."

Armani sagde, at hvis man tænkte på konventionelle Raman-lasere som de gamle energi-ineffektive pærer, er mange af os vokset op med, denne nye teknologi ville resultere i laserækvivalenten til energieffektive LED-pærer; et lysere resultat, der kræver lavere energitilførsel.

Armanis tværfaglige team, bestående af kemikere, materialeforskere og elektroingeniører, indså hurtigt, at de kunne designe denne type lasersystem. Kombination af overfladekemi og nanofabrikation, de udviklede en metode til præcist at danne et enkelt monolag af molekyler på en nanoenhed.

"Tænk på molekylet som et træ, " sagde Armani. "Hvis du forankrer bunden af ​​molekylet til enheden, som en rod til en overflade, molekylets bevægelse er begrænset. Nu, den kan ikke bare vibrere i enhver retning. Vi opdagede, at ved at begrænse bevægelsen, du faktisk øger effektiviteten af ​​dens bevægelse, og som et resultat, dens evne til at fungere som en laser."

Molekylerne er knyttet til overfladen af ​​en integreret fotonisk glasring, som begrænser en indledende lyskilde. Lyset inde i ringen exciterer de overfladebegrænsede molekyler, som efterfølgende udsender laserlyset. Især effektiviteten er faktisk forbedret næsten 10 gange, selvom der er mindre materiale.

"De overfladebegrænsede molekyler muliggør en ny proces, kaldet Surface Stimulated Raman, at ske, sagde Xiaoqin Shen, avisens hovedforfatter med Hyungwoo Choi, "Denne nye overfladeproces udløser et boost af lasereffektiviteten."

Derudover ligesom konventionel Raman-lasing, ved blot at ændre bølgelængden af ​​lys inde i ringen, vil emissionsbølgelængden fra molekylerne ændre sig. Denne fleksibilitet er en af ​​grundene til, at Raman-lasere – og nu Surface Stimulated Raman-lasere – er så populære på tværs af adskillige områder, herunder forsvar, diagnostik, og kommunikation.

Armani sagde, at det lykkedes teamet at binde molekylerne til overfladen af ​​glasringen ved at udnytte hydroxylmolekylgrupperne på overfladen, enheder med formlen OH, der indeholder ilt bundet til brint, ved hjælp af en proces kaldet silaniseringsoverfladekemi. Denne reaktion danner et enkelt monolag af præcist orienterede individuelle molekyler.

Opdagelsen er et passionsprojekt for Armani; en, som hun har forfulgt siden hendes dage som ph.d. studerende.

"Dette er et spørgsmål, jeg har ønsket at undersøge i et stykke tid, men det var bare ikke det rigtige tidspunkt og det rigtige sted og det rigtige hold til at kunne besvare det, " hun sagde.

Armani sagde, at forskningen har potentialet til betydeligt at reducere den inputeffekt, der kræves for at betjene Raman-lasere, samt påvirke adskillige andre applikationer.

"Raman-effekten er en fundamental, Nobelprisvindende videnskabelig adfærd oprindeligt opdaget i det tidlige 20. århundrede, " sagde Armani. "Idéen om at bidrage med noget nyt til dette rige felt er meget givende."