Lasrar. De används för allt från att underhålla våra katter till att kryptera vår kommunikation. Tyvärr, lasrar kan vara energikrävande och många tillverkas med hjälp av giftiga material som arsenik och gallium. För att göra lasrar mer hållbara, nya material och lasermekanismer måste upptäckas.

Professor Andrea Armani och hennes team vid USC Viterbi School of Engineering har upptäckt ett nytt fenomen och använt det för att göra en laser med över 40 procent effektivitet-nästan 10 gånger högre än andra liknande lasrar. Själva lasern är gjord av en glasring på en kiselskiva med endast ett monoskikt av siloxanmolekyler förankrade på ytan. Således, den har förbättrat strömförbrukningen och är tillverkad av mer hållbara material än tidigare lasrar.

Arbetet från Armani och hennes medförfattare Xiaoqin Shen och Hyungwoo Choi från USC:s Mork Family Department of Chemical Engineering and Material Science; Dongyu Chen från USC:s Ming Hsieh -avdelning för el- och datateknik; och Wei Zhao, från Institutionen för kemi vid University of Arkansas i Little Rock, publicerades i Nature Photonics .

Ytan Raman -laser är baserad på en förlängning av Raman -effekten, som beskriver hur ljusets interaktion med ett material kan framkalla molekylära vibrationer som resulterar i ljusemission. En unik egenskap hos denna typ av laser är att den utsända våglängden inte definieras av materialets elektroniska övergångar, men istället bestäms det av materialets vibrationsfrekvens. Med andra ord, det utsända laserljuset kan enkelt ställas in genom att byta infallande ljus. I tidigare arbeten, forskare har gjort att Raman -lasrar utnyttjar Raman -effekten i "bulk" -material, som optisk fiber och kisel.

Raman -lasrar har ett brett spektrum av applikationer, inklusive militär kommunikation, mikroskopi och avbildning, och inom medicin för ablationsterapi, ett minimalt invasivt förfarande för att förstöra onormal vävnad som tumörer.

Armani, USC:s Ray Irani -stol i kemiteknik och materialvetenskap, sa att hon insåg att en annan strategi kan ge ännu högre prestanda Raman -lasrar från hållbara material som glas.

"Utmaningen var att skapa en laser där allt infallande ljus skulle omvandlas till utsänt ljus, "Armani sa." I en vanlig solid-state Raman-laser, alla molekyler interagerar med varandra, minska prestanda. För att övervinna detta, vi behövde utveckla ett system där dessa interaktioner minskades. "

Armani sa att om konventionella Raman-lasrar betraktades som de gamla energieffektiva glödlamporna som många av oss växte upp med, denna nya teknik skulle resultera i laserekvivalenten till energieffektiva LED -lampor; ett ljusare resultat som kräver lägre energitillförsel.

Armanis tvärvetenskapliga team, bestående av kemister, materialvetare och elektriska ingenjörer, insåg snabbt att de kunde designa denna typ av lasersystem. Kombinera ytkemi och nanofabrikation, de utvecklade en metod för att exakt bilda ett enda monoskikt av molekyler på en nanodel.

"Tänk på molekylen som att se ut som ett träd, "Sa Armani." Om du förankrar molekylens bas till enheten, som en rot till en yta, molekylens rörelse är begränsad. Nu, den kan inte bara vibrera åt något håll. Vi upptäckte att genom att begränsa rörelsen, du faktiskt ökar effektiviteten i dess rörelse, och som resultat, dess förmåga att fungera som en laser. "

Molekylerna är fästa på ytan av en integrerad fotonisk glasring, som begränsar en initial ljuskälla. Ljuset inuti ringen upphetsar de ytbegränsade molekylerna, som därefter avger laserljus. I synnerhet, effektiviteten förbättras faktiskt nästan 10 gånger, även om det finns mindre material.

"De ytbegränsade molekylerna möjliggör en ny process, kallad Surface Stimulated Raman, att hända, "sa Xiaoqin Shen, tidningens medförfattare med Hyungwoo Choi, "Den här nya ytprocessen utlöser ökningen av lasereffektiviteten."

Dessutom, precis som konventionell Raman -lasning, genom att helt enkelt ändra ljusets våglängd inuti ringen, emissionsvåglängden från molekylerna kommer att förändras. Denna flexibilitet är en anledning till att Raman -lasrar - och nu Surface Stimulated Raman -lasrar - är så populära inom många områden, inklusive försvar, diagnostik, och kommunikation.

Armani sa att laget lyckades binda molekylerna till glasringens yta genom att utnyttja hydroxylmolekylgrupperna på ytan, enheter med formeln OH, som innehåller syre bunden till väte, med hjälp av en process som kallas silanisering ytkemi. Denna reaktion bildar ett enda monoskikt av exakt orienterade individuella molekyler.

Upptäckten är ett passionprojekt för Armani; en som hon har drivit sedan hennes dagar som doktorand. studerande.

"Det här är en fråga jag har velat undersöka ett tag, men det var bara inte rätt tid och rätt plats och rätt team för att kunna svara på det, " Hon sa.

Armani sa att forskningen har potential att avsevärt minska ingångseffekten som krävs för att driva Raman -lasrar samt påverka många andra applikationer.

"Raman -effekten är en grundläggande, Nobelprisvinnande vetenskapligt beteende som ursprungligen upptäcktes i början av 1900-talet, "Armani sa." Tanken på att bidra med något nytt till detta rika område är mycket givande. "