激光被用于從娛樂我們的貓到加密我們的通信的所有事情。不幸的是，激光可能是能量密集型的，許多激光是用砷和鎵等有毒物質制成的。為了使激光更可持續，必須發現新的材料和激光發射機制。12月4日消息，美國南加州大學維特比工程學院的安德里亞·阿瑪尼教授和她的團隊發現了一種新現象，并將其用于制造一種效率超過40%的激光器，幾乎是其他類似激光器的10倍。激光本身是由硅晶圓上的玻璃環制成的，硅晶圓表面只有一層硅氧烷分子。因此，它提高了功耗，而且比以前的激光器采用了更可持續的材料。該研究發表在《自然光子學》上。

表面拉曼激光是基于拉曼效應的擴展，拉曼效應描述了光與材料的相互作用如何引起分子振動，從而導致發光。這種激光器的一個獨特之處在于，發射的波長不是由材料的電子躍遷決定的，而是由材料的振動頻率決定的。換句話說，發射出的激光可以通過改變入射光來輕松調節。在之前的工作中，研究人員利用光纖和硅等“塊狀”材料中的拉曼效應制造了拉曼激光器。

拉曼激光有著廣泛的應用范圍，包括軍事通信、顯微術和成像技術，以及用于消融治療的醫學領域。消融治療是一種破壞腫瘤等異常組織的微創手術。

阿瑪尼說：“我們面臨的挑戰是創造出一種激光，所有入射光都能轉換成發射光。在普通的固態拉曼激光中，分子之間相互作用，降低了性能。為了克服這個問題，我們需要開發一個減少這些交互的系統。”

如果傳統的拉曼激光被認為是我們許多人成長過程中使用的舊的低能量燈泡，那么這項新技術將產生與節能LED燈泡相當的激光，更低的能量輸入得到更明亮的結果。

阿瑪尼的跨學科團隊，包括化學家、材料科學家和電氣工程師，很快意識到他們可以設計這種激光系統。結合表面化學和納米制造，他們開發了一種在納米設備上精確形成單分子層的方法。

“把分子想象成一棵樹。”阿瑪尼說，“如果你把分子的底部固定在裝置上，就像把根固定在表面一樣，分子的運動就會受到限制。它不能向任何方向振動。我們發現，通過限制它的運動，實際上可以提高它的運動效率，因此，它可以像激光一樣工作。”

這些分子附著在一個集成的光子玻璃環的表面，該環限制了一個初始光源。環內的光激發表面受約束的分子，這些分子隨后發出激光。值得注意的是，即使材料更少，效率實際上提高了近10倍。表面約束的分子使一種叫做表面受激拉曼的新過程成為可能，這種新的表面過程觸發了激光效率的提高。

此外，就像傳統的拉曼激光一樣，只要改變環內的光波長，分子的發射波長就會改變。這種靈活性是拉曼激光在包括國防、診斷和通信在內的眾多領域如此受歡迎的原因之一。

阿瑪尼說，研究小組通過利用玻璃環表面的羥基分子群，利用一種被稱為硅烷化表面化學的過程，成功地將分子與玻璃環表面結合。這個反應形成了一個由精確定向的單個分子組成的單層。

這項研究有可能大大降低操作拉曼激光器所需的輸入功率，并影響許多其他應用。阿瑪尼說：“拉曼效應是20世紀初發現的一種基本的、獲得諾貝爾獎的科學行為。”