激光被稱為“最快的刀”“最準的尺”“最亮的光”，自上世紀60年代初人類發(fā)明第一臺激光器以來，已廣泛應用于我們生活的方方面面。激光被公認為20世紀人類最偉大的四大發(fā)明之一。激光分連續(xù)激光和脈沖激光。上世紀80年代，科學家發(fā)明了一種奇特的激光——飛秒激光，一種人類在實驗室可以實現(xiàn)的超短脈沖激光。它具有超快、超強和超寬頻譜的特點，近年發(fā)展非常迅速，飛秒激光相關的技術和前沿應用成果已誕生了多項諾貝爾獎，現(xiàn)在很多眼科近視矯正手術都用到了飛秒激光。
不過，飛秒激光與物質(zhì)相互作用的機理錯綜復雜，仍然存在很多疑問，連科研人員都琢磨不透它的“脾氣”。近日，浙江大學光電科學與工程學院邱建榮教授團隊發(fā)現(xiàn)了飛秒激光誘導的空間選擇性微納分相和離子交換規(guī)律，開拓了飛秒激光三維極端制造新技術，首次在無色透明的玻璃材料內(nèi)部實現(xiàn)了帶隙可控的三維半導體納米晶結(jié)構(gòu)。這將為新一代顯示和存儲技術提供新的方向。
北京時間2022年1月21日，國際頂級學術期刊《科學》刊登了這項成果。論文共同第一作者為浙江大學光電科學與工程學院博士生孫軻、之江實驗室PI譚德志、上海理工大學研究員方心遠。通訊作者為譚德志博士和邱建榮教授。
在論文工作的機理解釋、全息顯示以及Micro-LED演示等方面，團隊與丹麥奧爾堡大學岳遠征院士、上海理工大學顧敏院士團隊、南方科技大學劉召軍教授團隊以及浙江大學農(nóng)生環(huán)測試中心進行了卓有成效的合作。
激光界的“小李飛刀” 飛秒是度量時間長短的一種計量單位，也稱為毫微微秒，1飛秒為1秒的一千萬億分之一。飛秒激光，顧名思義就是在飛秒的時間段內(nèi)發(fā)出的脈沖激光，也就意味著能量在飛秒間瞬間釋放。有一個成語叫蓄勢待發(fā)，正好可以用來形容能量在飛秒內(nèi)的集中爆發(fā)。 飛秒激光有何驚人之處？一是瞬時峰值功率非常高，甚至比全世界發(fā)電總功率還要多出百倍，二是能聚焦到比頭發(fā)的直徑還要小的空間區(qū)域內(nèi)，使電磁場的強度比原子核對其周圍電子的作用力還要高。高峰值功率、能聚焦，由此帶來飛秒激光一個非常顯著的特質(zhì)，光強甚至能達到1022W/cm2量級。這樣的強度遠遠超過了原子內(nèi)部相互作用的庫倫場，所以，飛秒激光脈沖能輕易使電子脫離原子的束縛，形成等離子體。 正是因為具有超快超強的特點，飛秒激光被廣泛應用于信息、環(huán)境、能源、醫(yī)療等各個領域。“為什么飛秒激光能用來做手術？因為眼部神經(jīng)血管很豐富，手術需要穩(wěn)、準、狠，而這把‘激光刀’干凈利索，只對聚焦點區(qū)域產(chǎn)生作用，不影響周圍環(huán)境?！鼻窠s說。 穩(wěn)準狠的飛秒激光，是不是跟古龍筆下例無虛發(fā)的小李飛刀有幾分相似呢？ 揭開飛刀秘密 當將飛秒激光聚焦到透明材料內(nèi)部時，會產(chǎn)生一系列基于多種高度非線性效應的物理化學動力學過程。盡管飛秒激光有這么多用處，但是科研人員對其機理依舊知之甚少。 邱建榮團隊長期從事飛秒激光與材料相互作用研究，并取得一系列高度原創(chuàng)的重要突破，處于國際領先地位。比如他們發(fā)現(xiàn)了飛秒激光誘導折射率變化、偏振依賴納米光柵、沿激光傳播方向周期性納米孔洞等新現(xiàn)象和新機制，開拓了空間選擇性操控離子價態(tài)、直寫三維光波導、析出和擦除功能納米晶體等新技術，部分成果已經(jīng)在集成光路、光通訊等領域得到應用。 取得這次成果的第一步是制備均勻透明玻璃。“如果玻璃里面有一點氣泡、結(jié)石或者條紋就會影響折射率分布，最終導致基于多光子效應的光與玻璃相互作用效果的劇烈變化?！毖芯繄F隊利用長期研究積累的豐富經(jīng)驗，在大量實驗的基礎上，成功燒制出了均勻的適合激光加工的前驅(qū)體玻璃。 接下來的一步就是把飛秒激光聚焦照射到玻璃內(nèi)部。但是剛開始的試驗，團隊并沒有找到規(guī)律，邱建榮團隊開展了他們一貫所提倡的“地毯式轟炸”試驗模式，反復調(diào)整，反復試驗。在經(jīng)過精心設計和一系列優(yōu)化后，團隊最終獲得了理想的超快激光精雕工藝，成功在玻璃內(nèi)部實現(xiàn)了組分可調(diào)的鈣鈦礦納米晶（圖1），在“一瞬間”的時間尺度就能隨心所欲實現(xiàn)結(jié)構(gòu)和性能操控。 圖1 超快激光直寫玻璃中成分可調(diào)節(jié)的CsPb(Br1-xIx)3鈣鈦礦的納米晶光致發(fā)光光譜，以及對應的光學和熒光照片，比例尺為10μm。 接下來是如何進一步讓激光在瞬間刻出具有眾多像素點構(gòu)成的三維圖案？如何利用透射掃描電鏡觀察比頭發(fā)絲還要細得多的刻痕？團隊在踏踏實實的研究中攻克了一個個難關。 2019年團隊第一次能夠調(diào)控一種發(fā)光顏色。經(jīng)過進一步系統(tǒng)研究，如今團隊已經(jīng)能調(diào)控多種發(fā)光顏色了。 “我一直認為科學研究沒有什么捷徑可走，我們需要老老實實一步一個腳印地開展實證?！鼻窠s說。 團隊以含Cl--Br--I-的鹵氧化物復合玻璃為例，實現(xiàn)了在玻璃中具有可調(diào)諧成分和帶隙的鈣鈦礦納米晶3D直接光刻，形成的納米晶在紫外線照射、有機溶液浸泡和250攝氏度高溫環(huán)境中表現(xiàn)出顯著的穩(wěn)定性，展示了這種3D結(jié)構(gòu)納米材料在光存儲、Micro-LED和全息顯示方面的應用。 為了進一步展示該技術的特點，研究團隊在微米級精度內(nèi)實現(xiàn)了應用于多維信息編碼和防偽的鈣鈦礦納米晶彩色圖案化，以及在一塊Cl--Br--I-共摻雜玻璃內(nèi)部的全彩色發(fā)光圖案和3D微螺旋直寫以及三維全息顯示（圖2）。由于超快激光誘導的液相納米分離只發(fā)生在玻璃內(nèi)部的局部位置，三維激光直寫技術排除了材料合成和器件加工過程中有機組分(試劑和溶劑)的污染。此外，穩(wěn)定性實驗表明該類器件可以在各種環(huán)境中長期使用。 圖2 飛秒激光三維直寫玻璃中鈣鈦礦納米晶的彩色發(fā)光圖案和全息顯示。 此項研究的一個應用方向就是三維、四維甚至更多維度的光儲存?！艾F(xiàn)有的存儲設備多為磁存儲，有一些缺點，一是使用壽命只有3-5年，二是耗能比較大，散熱要求高?！弊T德志表示，光存儲不僅功耗小，而且容量有望達到1PB/光盤，將是一個大有可為的未來發(fā)展方向，預期存儲壽命將達到幾百萬年之久。 該工作得到了國家自然科學基金的資助（U20A20211, 51902286, 61775192, 61905215, 51772270, 62005164)和上海市前沿科學中心項目2021-2025 (NO.20)的資助。論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj2691
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