约束分子的运动反而使激光器的效率提高了近10倍

（文章来源：万象经验）

激光被用于从娱乐我们的猫到加密我们的通信的所有事情。不幸的是，激光可能是能量密集型的，许多激光是用砷和镓等有毒物质制成的。为了使激光更可持续，必须发现新的材料和激光发射机制。

美国南加州大学维特比工程学院的安德里亚·阿玛尼教授和她的团队发现了一种新现象，并将其用于制造一种效率超过40%的激光器，几乎是其他类似激光器的10倍。激光本身是由硅晶圆上的玻璃环制成的，硅晶圆表面只有一层硅氧烷分子。因此，它提高了功耗，而且比以前的激光器采用了更可持续的材料。

表面拉曼激光是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，从而导致发光。这种激光器的一个独特之处在于，发射的波长不是由材料的电子跃迁决定的，而是由材料的振动频率决定的。换句话说，发射出的激光可以通过改变入射光来轻松调节。在之前的工作中，研究人员利用光纤和硅等“块状”材料中的拉曼效应制造了拉曼激光器。

拉曼激光有着广泛的应用范围，包括军事通信、显微术和成像技术，以及用于消融治疗的医学领域。消融治疗是一种破坏肿瘤等异常组织的微创手术。

阿玛尼说：“我们面临的挑战是创造出一种激光，所有入射光都能转换成发射光。在普通的固态拉曼激光中，分子之间相互作用，降低了性能。为了克服这个问题，我们需要开发一个减少这些交互的系统。”如果传统的拉曼激光被认为是我们许多人成长过程中使用的旧的低能量灯泡，那么这项新技术将产生与节能LED灯泡相当的激光，更低的能量输入得到更明亮的结果。

阿玛尼的跨学科团队，包括化学家、材料科学家和电气工程师，很快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单分子层的方法。

“把分子想象成一棵树。”阿玛尼说，“如果你把分子的底部固定在装置上，就像把根固定在表面一样，分子的运动就会受到限制。它不能向任何方向振动。我们发现，通过限制它的运动，实际上可以提高它的运动效率，因此，它可以像激光一样工作。”

这些分子附着在一个集成的光子玻璃环的表面，该环限制了一个初始光源。环内的光激发表面受约束的分子，这些分子随后发出激光。值得注意的是，即使材料更少，效率实际上提高了近10倍。表面约束的分子使一种叫做表面受激拉曼的新过程成为可能，这种新的表面过程触发了激光效率的提高。

此外，就像传统的拉曼激光一样，只要改变环内的光波长，分子的发射波长就会改变。这种灵活性是拉曼激光在包括国防、诊断和通信在内的众多领域如此受欢迎的原因之一。阿玛尼说，研究小组通过利用玻璃环表面的羟基分子群，利用一种被称为硅烷化表面化学的过程，成功地将分子与玻璃环表面结合。这个反应形成了一个由精确定向的单个分子组成的单层。

这项研究有可能大大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。阿玛尼说：“拉曼效应是20世纪初发现的一种基本的、获得诺贝尔奖的科学行为。”
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