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激光可能会消耗大量能量 并且许多激光是使用砷和镓等有毒材料制成的

激光。它们用于从娱乐猫到加密通讯的所有事物。不幸的是,激光可能会消耗大量能量,并且许多激光是使用砷和镓等有毒材料制成的。为了使激光更具可持续性,必须发现新材料和激光机制。

南加州大学维特比工程学院的安德里亚·阿玛尼(Andrea Armani)教授和她的团队发现了一种新现象,并用它制造了效率超过40%的激光器,几乎是其他同类激光器的10倍。激光器本身是由硅晶片上的玻璃环制成的,只有一层硅氧烷分子的单层涂层固定在表面上。因此,与以前的激光器相比,它具有更高的功耗并由更具可持续性的材料制成。

激光可能会消耗大量能量 并且许多激光是使用砷和镓等有毒材料制成的

阿玛尼(Armani)和她的合著者沉小琴(音译)和南海大学化学工程与材料科学部莫克家族部门的崔Hyungwoo Choi的作品;南加州大学明谢分校电气与计算机工程系的陈冬雨;来自阿肯色大学小石城分校化学系的赵薇和赵薇发表在《自然光子学》上。

表面拉曼激光器基于拉曼效应的扩展,拉曼效应描述了光与材料的相互作用如何引起分子振动并导致发光。这种激光器的一个独特特征是发射的波长不是由材料的电子跃迁确定的,而是由材料的振动频率确定的。换句话说,通过改变入射光可以容易地调谐发射的激光。在以前的工作中,研究人员利用光纤和硅等“散装”材料中的拉曼效应制造了拉曼激光器。

拉曼激光器具有广泛的应用,包括军事通信,显微镜和成像,以及在消融治疗的医学中,用于破坏异常组织(例如肿瘤)的微创程序。

南加州大学化学工程与材料科学系主任Rayani的阿玛尼(Armani)说,她意识到,采用不同的策略可能会从玻璃等可持续材料中获得更高性能的拉曼激光器。

阿玛尼说:“挑战是要制造一种激光器,将所有入射光都转换成发射光。” “在普通的固态拉曼激光器中,分子之间都相互作用,从而降低了性能。要克服这一点,我们需要开发一种减少这些相互作用的系统。”

阿玛尼(Armani)表示,如果将传统的拉曼激光器视为我们许多人长大的老式节能灯泡,那么这项新技术将使激光器等效于节能型LED灯泡。需要较低能量输入的更明亮结果。

由化学家,材料科学家和电气工程师组成的Armani跨学科团队迅速意识到,他们可以设计这种激光系统。结合表面化学和纳米制造,他们开发了一种在纳米设备上精确形成分子单层的方法。

阿玛尼说:“认为这种分子就像一棵树。” “如果将分子的基部锚定到设备上,就像将根部锚定到表面上一样,则分子的运动受到限制。现在,它不能只是沿任何方向振动。我们发现,通过限制运动,实际上可以增加它的运动效率,以及其作为激光的能力。”

分子附着在集成光子玻璃环的表面上,从而限制了初始光源。环内部的光激发受表面约束的分子,随后发出激光。值得注意的是,即使材料较少,效率实际上也提高了近10倍。

该论文的共同主要作者,与Hyungwoo Choi共同撰写的沈晓琴说:“受表面约束的分子使一个称为“表面受激拉曼”的新过程得以实现,这一新的表面过程触发了激光效率的提高。”

另外,就像传统的拉曼激光一样,只需简单地改变环内部的光的波长,分子的发射波长就会改变。这种灵活性是为什么拉曼激光器以及现在的表面受激拉曼激光器在国防,诊断和通信等众多领域如此受欢迎的原因之一。

阿玛尼说,该团队利用一种称为硅烷化表面化学的方法,通过利用表面上的羟基分子团(其分子式为OH,含有与氢键合的氧),设法将分子结合至玻璃环的表面。该反应形成了精确定向的单个分子的单层。

这个发现是Armani的一个充满激情的项目。自从她成为博士以来,她一直在追求这一目标。学生。

她说:“这是我一直想研究的一个问题,但这不是在正确的时间,正确的位置和合适的团队来回答这一问题。”

阿玛尼说,这项研究有可能显着降低操作拉曼激光器所需的输入功率,并影响许多其他应用。

阿曼尼说:“拉曼效应是最初在20世纪初发现的,获得诺贝尔奖的基本科学行为。” “为这个丰富的领域贡献新事物的想法非常有意义。”

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