Lasers. Ze worden voor alles gebruikt, van het entertainen van onze katten tot het versleutelen van onze communicatie. Helaas, lasers kunnen energie-intensief zijn en veel zijn gemaakt met behulp van giftige materialen zoals arseen en gallium. Om lasers duurzamer te maken, nieuwe materialen en lasermechanismen moeten worden ontdekt.

Professor Andrea Armani en haar team aan de USC Viterbi School of Engineering hebben een nieuw fenomeen ontdekt en gebruikt om een ​​laser te maken met een efficiëntie van meer dan 40 procent - bijna 10 keer hoger dan andere vergelijkbare lasers. De laser zelf is gemaakt van een glazen ring op een siliciumwafel met alleen een monolaagse coating van siloxaanmoleculen die aan het oppervlak zijn verankerd. Dus, het heeft een verbeterd stroomverbruik en is gemaakt van duurzamere materialen dan eerdere lasers.

Het werk van Armani en haar co-auteurs Xiaoqin Shen en Hyungwoo Choi van USC's Mork Family Department of Chemical Engineering and Material Science; Dongyu Chen van Ming Hsieh Department of Electrical and Computer Engineering van het USC; en Wei Zhao, van de afdeling Scheikunde aan de Universiteit van Arkansas in Little Rock, werd gepubliceerd in Natuurfotonica .

De oppervlakte-Raman-laser is gebaseerd op een uitbreiding van het Raman-effect, die beschrijft hoe de interactie van licht met een materiaal moleculaire trillingen kan veroorzaken die resulteren in lichtemissie. Een uniek kenmerk van dit type laser is dat de uitgezonden golflengte niet wordt bepaald door de elektronische overgangen van het materiaal, maar in plaats daarvan wordt het bepaald door de trillingsfrequentie van het materiaal. Met andere woorden, het uitgezonden laserlicht kan eenvoudig worden afgesteld door het invallende licht te veranderen. In eerder werk, onderzoekers hebben Raman-lasers gemaakt die gebruikmaken van het Raman-effect in "bulk" -materiaal, zoals optische vezels en silicium.

Raman-lasers hebben een breed scala aan toepassingen, waaronder militaire communicatie, microscopie en beeldvorming, en in de geneeskunde voor ablatietherapie, een minimaal invasieve procedure om abnormaal weefsel zoals tumoren te vernietigen.

Armani, USC's Ray Irani-leerstoel in chemische technologie en materiaalwetenschappen, zei dat ze zich realiseerde dat een andere strategie nog beter presterende Raman-lasers zou kunnen opleveren van duurzame materialen zoals glas.

"De uitdaging was om een ​​laser te maken waarbij al het invallende licht zou worden omgezet in uitgezonden licht, "Zei Armani. "In een normale solid-state Raman-laser, de moleculen hebben allemaal interactie met elkaar, het verminderen van de prestaties. Om dit te overwinnen, we moesten een systeem ontwikkelen waarin deze interacties werden verminderd."

Armani zei dat als conventionele Raman-lasers werden gezien als de oude energie-inefficiënte gloeilampen waar velen van ons mee opgroeiden, deze nieuwe technologie zou resulteren in het laserequivalent van energiezuinige LED-lampen; een helderder resultaat dat een lagere energie-input vereist.

Armani's interdisciplinaire team, bestaande uit chemici, materiaalwetenschappers en elektrotechnici, realiseerden zich al snel dat ze dit type lasersysteem konden ontwerpen. Door oppervlaktechemie en nanofabricage te combineren, ze ontwikkelden een methode om precies een enkele monolaag van moleculen op een nanodevice te vormen.

"Beschouw het molecuul als een boom, "Zei Armani. "Als je de basis van het molecuul aan het apparaat verankert, als een wortel naar een oppervlak, de beweging van het molecuul is beperkt. Nutsvoorzieningen, het kan niet zomaar in elke richting trillen. We ontdekten dat door de beweging te beperken, je verhoogt in feite de efficiëntie van zijn beweging, en als een resultaat, zijn vermogen om als een laser te werken."

De moleculen zijn bevestigd aan het oppervlak van een geïntegreerde fotonische glazen ring, die een initiële lichtbron beperkt. Het licht in de ring prikkelt de moleculen met beperkte oppervlakte, die vervolgens het laserlicht uitstralen. Opmerkelijk, de efficiëntie is zelfs bijna 10 keer verbeterd, ook al is er minder materiaal.

"De moleculen met beperkte oppervlakte maken een nieuw proces mogelijk, genaamd Surface Stimulated Raman, gebeuren, "zei Xiaoqin Shen, de co-hoofdauteur van het papier met Hyungwoo Choi, "Dit nieuwe oppervlakteproces zorgt voor een boost van de laserefficiëntie."

Aanvullend, net als conventioneel Raman laseren, door simpelweg de golflengte van het licht in de ring te veranderen, de emissiegolflengte van de moleculen zal veranderen. Deze flexibiliteit is een van de redenen waarom Raman-lasers - en nu Surface Stimulated Raman-lasers - zo populair zijn op tal van gebieden, waaronder defensie, diagnostiek, en communicatie.

Armani zei dat het team erin slaagde de moleculen aan het oppervlak van de glazen ring te binden door gebruik te maken van de hydroxylmolecuulgroepen op het oppervlak. entiteiten met de formule OH, die zuurstof gebonden aan waterstof bevatten, met behulp van een proces dat silanisatie-oppervlaktechemie wordt genoemd. Deze reactie vormt een enkele monolaag van nauwkeurig georiënteerde individuele moleculen.

De ontdekking is een passieproject voor Armani; een die ze nastreeft sinds haar dagen als Ph.D. student.

"Dit is een vraag die ik al een tijdje wil onderzoeken, maar het was gewoon niet het juiste moment en de juiste plaats en het juiste team om het te kunnen beantwoorden, " ze zei.

Armani zei dat het onderzoek het potentieel heeft om het ingangsvermogen dat nodig is om Raman-lasers te bedienen aanzienlijk te verminderen en om tal van andere toepassingen te beïnvloeden.

"Het Raman-effect is een fundamenteel, Nobelprijswinnend wetenschappelijk gedrag dat oorspronkelijk werd ontdekt in het begin van de 20e eeuw, "Zei Armani. "Het idee om iets nieuws bij te dragen aan dit rijke veld is zeer de moeite waard."