激光被稱為“最快的刀”“最準(zhǔn)的尺”“最亮的光”，自上世紀(jì)60年代初人類發(fā)明第一臺(tái)激光器以來(lái)，已廣泛應(yīng)用于我們生活的方方面面。激光被公認(rèn)為20世紀(jì)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(jì)80年代，科學(xué)家發(fā)明了一種奇特的激光——飛秒激光，一種人類在實(shí)驗(yàn)室可以實(shí)現(xiàn)的超短脈沖激光。它具有超快、超強(qiáng)和超寬頻譜的特點(diǎn)，近年發(fā)展非常迅速，飛秒激光相關(guān)的技術(shù)和前沿應(yīng)用成果已誕生了多項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)，現(xiàn)在很多眼科近視矯正手術(shù)都用到了飛秒激光。

不過(guò)，飛秒激光與物質(zhì)相互作用的機(jī)理錯(cuò)綜復(fù)雜，仍然存在很多疑問(wèn)，連科研人員都琢磨不透它的“脾氣”。近日，浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院邱建榮教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了飛秒激光誘導(dǎo)的空間選擇性微納分相和離子交換規(guī)律，開(kāi)拓了飛秒激光三維極端制造新技術(shù)，首次在無(wú)色透明的玻璃材料內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了帶隙可控的三維半導(dǎo)體納米晶結(jié)構(gòu)。這將為新一代顯示和存儲(chǔ)技術(shù)提供新的方向。

北京時(shí)間2022年1月21日，國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》刊登了這項(xiàng)成果。論文共同第一作者為浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院博士生孫軻、之江實(shí)驗(yàn)室PI譚德志、上海理工大學(xué)研究員方心遠(yuǎn)。通訊作者為譚德志博士和邱建榮教授。

在論文工作的機(jī)理解釋、全息顯示以及Micro-LED演示等方面，團(tuán)隊(duì)與丹麥奧爾堡大學(xué)岳遠(yuǎn)征院士、上海理工大學(xué)顧敏院士團(tuán)隊(duì)、南方科技大學(xué)劉召軍教授團(tuán)隊(duì)以及浙江大學(xué)農(nóng)生環(huán)測(cè)試中心進(jìn)行了卓有成效的合作。

激光界的“小李飛刀”

飛秒是度量時(shí)間長(zhǎng)短的一種計(jì)量單位，也稱為毫微微秒，1飛秒為1秒的一千萬(wàn)億分之一。飛秒激光，顧名思義就是在飛秒的時(shí)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(gè)成語(yǔ)叫蓄勢(shì)待發(fā)，正好可以用來(lái)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(shí)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(chǎng)的強(qiáng)度比原子核對(duì)其周圍電子的作用力還要高。高峰值功率、能聚焦，由此帶來(lái)飛秒激光一個(gè)非常顯著的特質(zhì)，光強(qiáng)甚至能達(dá)到1022W/cm2量級(jí)。這樣的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了原子內(nèi)部相互作用的庫(kù)倫場(chǎng)，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?yàn)榫哂谐斐瑥?qiáng)的特點(diǎn)，飛秒激光被廣泛應(yīng)用于信息、環(huán)境、能源、醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域?！盀槭裁达w秒激光能用來(lái)做手術(shù)？因?yàn)檠鄄可窠?jīng)血管很豐富，手術(shù)需要穩(wěn)、準(zhǔn)、狠，而這把‘激光刀’干凈利索，只對(duì)聚焦點(diǎn)區(qū)域產(chǎn)生作用，不影響周圍環(huán)境。”邱建榮說(shuō)。

穩(wěn)準(zhǔn)狠的飛秒激光，是不是跟古龍筆下例無(wú)虛發(fā)的小李飛刀有幾分相似呢？

揭開(kāi)飛刀秘密

當(dāng)將飛秒激光聚焦到透明材料內(nèi)部時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一系列基于多種高度非線性效應(yīng)的物理化學(xué)動(dòng)力學(xué)過(guò)程。盡管飛秒激光有這么多用處，但是科研人員對(duì)其機(jī)理依舊知之甚少。

邱建榮團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)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(guó)際領(lǐng)先地位。比如他們發(fā)現(xiàn)了飛秒激光誘導(dǎo)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(jī)制，開(kāi)拓了空間選擇性操控離子價(jià)態(tài)、直寫三維光波導(dǎo)、析出和擦除功能納米晶體等新技術(shù)，部分成果已經(jīng)在集成光路、光通訊等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

取得這次成果的第一步是制備均勻透明玻璃?！叭绻ＡЮ锩嬗幸稽c(diǎn)氣泡、結(jié)石或者條紋就會(huì)影響折射率分布，最終導(dǎo)致基于多光子效應(yīng)的光與玻璃相互作用效果的劇烈變化?！毖芯繄F(tuán)隊(duì)利用長(zhǎng)期研究積累的豐富經(jīng)驗(yàn)，在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)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(lái)的一步就是把飛秒激光聚焦照射到玻璃內(nèi)部。但是剛開(kāi)始的試驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)并沒(méi)有找到規(guī)律，邱建榮團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了他們一貫所提倡的“地毯式轟炸”試驗(yàn)?zāi)Ｊ?，反?fù)調(diào)整，反復(fù)試驗(yàn)。在經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)和一系列優(yōu)化后，團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)了組分可調(diào)的鈣鈦礦納米晶（圖1），在“一瞬間”的時(shí)間尺度就能隨心所欲實(shí)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(duì)應(yīng)的光學(xué)和熒光照片，比例尺為10μm。

接下來(lái)是如何進(jìn)一步讓激光在瞬間刻出具有眾多像素點(diǎn)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(xì)得多的刻痕？團(tuán)隊(duì)在踏踏實(shí)實(shí)的研究中攻克了一個(gè)個(gè)難關(guān)。

或?qū)⒊蔀樾乱淮拇鎯?chǔ)和顯示材料

2019年團(tuán)隊(duì)第一次能夠調(diào)控一種發(fā)光顏色。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步系統(tǒng)研究，如今團(tuán)隊(duì)已經(jīng)能調(diào)控多種發(fā)光顏色了。

“我一直認(rèn)為科學(xué)研究沒(méi)有什么捷徑可走，我們需要老老實(shí)實(shí)一步一個(gè)腳印地開(kāi)展實(shí)證?！鼻窠s說(shuō)。

團(tuán)隊(duì)以含Cl--Br--I-的鹵氧化物復(fù)合玻璃為例，實(shí)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(jī)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(chǔ)、Micro-LED和全息顯示方面的應(yīng)用。

為了進(jìn)一步展示該技術(shù)的特點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)在微米級(jí)精度內(nèi)實(shí)現(xiàn)了應(yīng)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(dǎo)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(shù)排除了材料合成和器件加工過(guò)程中有機(jī)組分(試劑和溶劑)的污染。此外，穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)表明該類器件可以在各種環(huán)境中長(zhǎng)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(xiàng)研究的一個(gè)應(yīng)用方向就是三維、四維甚至更多維度的光儲(chǔ)存。“現(xiàn)有的存儲(chǔ)設(shè)備多為磁存儲(chǔ)，有一些缺點(diǎn)，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(chǔ)不僅功耗小，而且容量有望達(dá)到1PB/光盤，將是一個(gè)大有可為的未來(lái)發(fā)展方向，預(yù)期存儲(chǔ)壽命將達(dá)到幾百萬(wàn)年之久。

該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的資助（U20A20211, 51902286, 61775192, 61905215, 51772270, 62005164)和上海市前沿科學(xué)中心項(xiàng)目2021-2025 (NO.20)的資助。 論 文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj2691