استفاده از ارتعاشات مولکولی برای ایجاد لیزرهایی با بهره‌وری بالاتر

توسط شهریور 18, 1399 اخبار فناوری

امروزه لیزر در زندگی روزمره ما حضور چشمگیری دارد، از سرگرم کردن گربه‎ های ما گرفته تا رمزگذاری ارتباطاتمان. متأسفانه بسیاری از این لیزرها با استفاده از مواد سمی مانند آرسنیک و گالیوم ساخته می‎ شوند و برای اینکه لیزرهایی با بهره‌وری بالاتر داشته باشیم، باید مواد جدید و مکانیسم‎ های لیزینگ جدیدی کشف کنیم.

استفاده از ارتعاشات مولکولی برای ایجاد لیزرهایی با بهره‌وری بالاتر

شکل ۱- ارتعاشات مولکولی زمینه ‌ای است برای تولید لیزرهایی با عملکرد بهینه (تصویر شبیه سازی شده).

در دانشکده مهندسی ویتربی، دانشگاه کالیفرنیای جنوبی(USC)، استاد آندرا آرمانی و همکارانش پدیده جدیدی را معرفی کردند. آنها از روشی جدید برای ایجاد لیزری با بیش از ۴۰٪ بازده استفاده کردند. این بازده تقریباً ۱۰ برابر بیشتر از لیزرهای فعلی است. این لیزر از یک حلقه شیشه ای بر روی ویفر سیلیکانی و تنها یک لایه از مولکول ‎های سیلوکسان چسبیده به سطح، ساخته شده است. سیلوکسان ‎ها یا سیلیکان ‎ها ترکیبات آلی مشتق از سیلیسیوم بوده و شامل پیوند سیلیسیوم-اکسیژن-سیلیسیوم (Si-O-Si) هستند. سیلوکسان ‏ها را می ‎توان به متیل سیلوکسان (ms) و دی متیل سیلوکسان [۵]ها (DMS) تقسیم کرد.

استفاده از ارتعاشات مولکولی برای ایجاد لیزرهایی با بهره‌وری بالاتر

شکل ۲- گروه‏ های آلکوکسی بر روی سیلان واکنش نشان داده و جایگزین می ‏شوند. به این ترتیب پیوند کووالانسی -Si-O-Si- تشکیل می ‎‏دهند و مولکول های جهتمند ایجاد می‌کنند.

نتایج کار دکتر آرمانی و همکاران وی در Nature Photonics منتشر شده است. محققین تیم دکتر آرمانی، از گروه ‌های مولکول هیدروکسیل موجود در سطح حلقه شیشه ‎ای برای اتصال مولکول‎ ها به سطح، طی فرآیند سیلانیزاسیون، استفاده کردند. گروه‎ های مولکول هیدروکسیل ترکیباتی با فرمول OH یعنی اکسیژن متصل به هیدروژن هستند. سیلانیزاسیون پوشش سطح با مولکول‏ های آلکوکسی سیلان است. مواد معدنی مانند شیشه و اکسید فلزات همه قابل سیلانیزاسیون هستند، زیرا حاوی گروه‎ های هیدروکسیل هستند که با گروه ‏های آلکوکسی بر روی سیلان واکنش داده و جایگزین می ‏شوند و به این ترتیب پیوند کووالانسی -Si-O-Si- تشکیل می‎‏ دهند. این واکنش، تک لایه ‏ای از مولکول‏ ها را ایجاد می ‎کند که دقیقاً جهت‏ دهی شده ‏اند.

لیزر سطحی رامان نشان می ‎دهد که چگونه ارتعاشات مولکولی بر اثر تعامل بین ماده و نور ایجاد می ‏شود و اینکه چگونه این ارتعاشات سبب انتشار نور می‎ شوند.

یکی از ویژگی‌ های منحصر به فرد این نوع لیزرها این است که طول موج ساطع شده با گذار الکترونیکی مواد مشخص نمی ‎‏شود بلکه با فرکانس ارتعاش مواد تعیین می‏ شود. به عبارت دیگر با تغییر دادن نور فرودی، می ‏توان نور لیزر ساطع شده را به راحتی تنظیم کرد. پیش از این محققین لیزرهای رامانی را ساختند که از اثر رامان در محیط های غیر سطحی و دارای حجم استفاده می ‎کرد، مانند فیبرهای نوری و سیلیکانی.

دکتر آرمانی، رئیس ایرانی دانشکده مهندسی شیمی و علوم مواد USC، اظهار داشت که آنها دریافتند که با استراتژی ‎های متفاوت، ممکن است بتوان لیزرهای رامان با کارایی بالاتر و از مواد پایدار مانند شیشه به دست آورد.

به گفته وی چالش اصلی کار آنها ایجاد لیزری بود که در آن همه نور فرودی به نور ساطع شده تبدیل شود. در حالی که در یک لیزر معمولی رامان حالت جامد، مولکول ‏ها با یکدیگر برخورد می ‏کنند و بهره‎ وری را کاهش می ‏دهند. برای غلبه بر این مشکل، آنها سیستمی ایجاد کردند که این برخوردها را کاهش دهد.

وی افزود اگر لیزرهای معمولی رامان را مثل لامپ های قدیمی که بسیاری از ما با آن بزرگ شده‎ ایم تصور کنیم، این فناوری جدید معادل لامپ ‎های LED است که بسیار پرنورتر و کم مصرف ‏تر است. تیم دکتر آرمانی که متشکل از شیمی دانان، دانشمندان مواد و مهندسان برق بود، با ترکیب علم شیمی سطح و علم نانو، روشی را برای شکل دادن دقیق مولکول‎ های تک لایه بر روی نانو ابزار ارائه دادند. هنگامی‏ که پایه مولکول به دستگاه وصل می‏ شود، حرکتشان محدود شده و نمی ‏توانند در همه جهات ارتعاش کنند. با محدود کردن حرکت مولکول ‎ها، بازده حرکت آنها افزایش می‏ یابد و در نتیجه می ‏توانند به عنوان لیزر عمل کنند.

استفاده از ارتعاشات مولکولی برای ایجاد لیزرهایی با بهره‌وری بالاتر

شکل ۳- تصویر بالا: در لیزرهای فعلی رامان، مولکول ‎های موجود در محلول ارتعاش می ‎کنند و نور ساطع می‎ کنند. تصویر پایین: با اتصال مولکول‎ ها به یک سطح، محققین قادرند حرکت مولکول‏ ها را طوری محدود کنند که منجر به ایجاد لیزری با بازده بالاتر شود.

در این روش مولکول‎ ها به سطح حلقه شیشه‎ ای فوتونیکی متصل می ‏شوند که منبع نور اولیه را محدود می‎ کند. مولکول ‎های چسبیده به سطح با تابش نور به درون حلقه تحریک شده و لیزر تولید می ‎کنند. این مولکول ‏ها فرآیند جدیدی به نام رامان القا شده سطحی را امکان‏پذیر می ‎سازند. این فرآیند باعث افزایش بهره‎ وری لیزینگ می‏ شود. نکته قابل توجه این است که در این روش با وجود ماده کمتر، بهره ‎وری تقریباً ۱۰ برابر افزایش می ‎یابد.

علاوه بر این، دقیقاً مانند لیزر معمولی رامان، با تغییر طول موج نور در داخل حلقه، طول موج ساطع شده از مولکول‎ ها نیز تغییر خواهد کرد. این انعطاف‌پذیری یکی از مزایای لیزرهای رامان است. امروزه لیزرهای رامان القا شده سطحی در زمینه‎ های نظامی و ارتباطات به کار می‌روند.

منبع : www.inlc.ir

مطالب مرتبط: