Lasers. Ils sont utilisés pour tout, du divertissement de nos chats au cryptage de nos communications. Malheureusement, les lasers peuvent être énergivores et beaucoup sont fabriqués à partir de matériaux toxiques comme l'arsenic et le gallium. Pour rendre les lasers plus durables, de nouveaux matériaux et mécanismes laser doivent être découverts.

Le professeur Andrea Armani et son équipe de l'USC Viterbi School of Engineering ont découvert un nouveau phénomène et l'ont utilisé pour fabriquer un laser avec une efficacité de plus de 40 %, soit près de 10 fois supérieure à celle d'autres lasers similaires. Le laser lui-même est constitué d'un anneau de verre sur une plaquette de silicium avec seulement un revêtement monocouche de molécules de siloxane ancrées à la surface. Ainsi, il a amélioré la consommation d'énergie et est fabriqué à partir de matériaux plus durables que les lasers précédents.

Les travaux d'Armani et de ses co-auteurs Xiaoqin Shen et Hyungwoo Choi du département de génie chimique et de science des matériaux de la famille Mork de l'USC ; Dongyu Chen du département de génie électrique et informatique de l'USC Ming Hsieh ; et Wei Zhao, du Département de chimie de l'Université de l'Arkansas à Little Rock, a été publié dans Photonique de la nature .

Le laser Raman de surface est basé sur une extension de l'effet Raman, qui décrit comment l'interaction de la lumière avec un matériau peut induire des vibrations moléculaires qui entraînent une émission de lumière. Une particularité de ce type de laser est que la longueur d'onde émise n'est pas définie par les transitions électroniques du matériau, mais au lieu de cela, il est déterminé par la fréquence vibratoire du matériau. En d'autres termes, la lumière laser émise peut être facilement réglée en changeant la lumière incidente. Dans des travaux antérieurs, des chercheurs ont fabriqué des lasers Raman exploitant l'effet Raman dans un matériau "en vrac", comme la fibre optique et le silicium.

Les lasers Raman ont un large éventail d'applications, y compris les communications militaires, microscopie et imagerie, et en médecine pour la thérapie d'ablation, une procédure peu invasive pour détruire les tissus anormaux tels que les tumeurs.

Armani, Chaire Ray Irani de l'USC en génie chimique et science des matériaux, a déclaré avoir réalisé qu'une stratégie différente pourrait donner des lasers Raman encore plus performants à partir de matériaux durables comme le verre.

"Le défi était de créer un laser où toute la lumière incidente serait convertie en lumière émise, " dit Armani. " Dans un laser Raman à semi-conducteur normal, les molécules interagissent toutes les unes avec les autres, réduire les performances. Pour surmonter cela, nous devions développer un système où ces interactions étaient réduites."

Armani a déclaré que si les lasers Raman conventionnels étaient considérés comme les vieilles ampoules à faible consommation d'énergie avec lesquelles beaucoup d'entre nous ont grandi, cette nouvelle technologie se traduirait par l'équivalent laser des ampoules LED écoénergétiques; un résultat plus brillant nécessitant un apport énergétique moindre.

L'équipe interdisciplinaire d'Armani, composé de chimistes, scientifiques des matériaux et ingénieurs électriciens, rapidement réalisé qu'ils pouvaient concevoir ce type de système laser. Alliant chimie de surface et nanofabrication, ils ont développé une méthode pour former avec précision une monocouche unique de molécules sur un nanodispositif.

"Pensez à la molécule comme à un arbre, " dit Armani. " Si vous ancrez la base de la molécule à l'appareil, comme une racine à une surface, le mouvement de la molécule est limité. Maintenant, il ne peut pas simplement vibrer dans n'importe quelle direction. Nous avons découvert qu'en contraignant le mouvement, vous augmentez réellement l'efficacité de son mouvement, et comme résultat, sa capacité à agir comme un laser."

Les molécules sont fixées à la surface d'un anneau de verre photonique intégré, qui confine une première source lumineuse. La lumière à l'intérieur de l'anneau excite les molécules contraintes en surface, qui émettent ensuite la lumière laser. Notamment, l'efficacité est en fait améliorée de près de 10 fois, même s'il y a moins de matière.

"Les molécules à surface contrainte permettent un nouveau processus, appelé Raman stimulé par la surface, se passer, ", a déclaré Xiaoqin Shen, le co-auteur principal de l'article avec Hyungwoo Choi, "Ce nouveau processus de surface déclenche l'augmentation de l'efficacité du laser."

En outre, tout comme le laser Raman conventionnel, en changeant simplement la longueur d'onde de la lumière à l'intérieur de l'anneau, la longueur d'onde d'émission des molécules va changer. Cette flexibilité est l'une des raisons pour lesquelles les lasers Raman - et maintenant les lasers Raman stimulés par la surface - sont si populaires dans de nombreux domaines, notamment la défense, Diagnostique, et communications.

Armani a déclaré que l'équipe avait réussi à lier les molécules à la surface de l'anneau de verre en exploitant les groupes de molécules hydroxyles à la surface, entités de formule OH, qui contiennent de l'oxygène lié à de l'hydrogène, en utilisant un processus appelé chimie de surface de silanisation. Cette réaction forme une monocouche unique de molécules individuelles orientées avec précision.

La découverte est un projet passion pour Armani; celui qu'elle poursuit depuis ses jours de doctorat. étudiant.

"C'est une question que je voulais examiner depuis un moment, mais ce n'était tout simplement pas le bon moment, le bon endroit et la bonne équipe pour pouvoir y répondre, " elle a dit.

Armani a déclaré que la recherche a le potentiel de réduire considérablement la puissance d'entrée requise pour faire fonctionner les lasers Raman ainsi que d'avoir un impact sur de nombreuses autres applications.

"L'effet Raman est un élément fondamental, Comportement scientifique lauréat du prix Nobel découvert à l'origine au début du 20e siècle, " a déclaré Armani. " L'idée d'apporter quelque chose de nouveau à ce riche domaine est très enrichissante. "