飛秒是幾秒？Science：“飛刀”快準(zhǔn)狠，存儲壽命幾百萬年！

激光被稱為“最快的刀”“最準(zhǔn)的尺”“最亮的光”，自20世紀(jì)60年代初人類發(fā)明第一臺激光器以來，已廣泛應(yīng)用于我們生活的方方面面。

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，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。它具有超快、超強(qiáng)和超寬頻譜的特點(diǎn)，現(xiàn)在很多眼科近視矯正手術(shù)都用到了飛秒激光。不過，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，連科研人員都琢磨不透它的“脾氣”。

1月21日，《科學(xué)》刊登浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院教授邱建榮團(tuán)隊(duì)最新成果。該研究團(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，開拓了飛秒激光三維極端制造新技術(shù)，首次在無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技術(shù)提供新的方向。

圖片來源：央視新聞客戶端

飛秒激光有何驚人之處？

飛秒是度量時(shí)間長短的一種計(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釋放。

飛秒激光的驚人之處在于，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)，使電磁場的強(qiáng)度比原子核對其周圍電子的作用力還要高。當(dāng)將飛秒激光聚焦到透明材料內(nèi)部時(shí)，會產(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)過程。

正是因?yàn)榫哂谐臁⒊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。“為什么飛秒激光能用來做眼部手術(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，只對聚焦點(diǎn)區(qū)域產(chǎn)生作用，不影響周圍環(huán)境?！鼻窠s說。

穩(wěn)準(zhǔn)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(dāng)將飛秒激光聚焦到透明材料內(nèi)部時(shí)，會產(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)過程。盡管飛秒激光有這么多用處，但是科研人員對其機(jī)理依舊知之甚少。

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(diǎn)氣泡、結(jié)石或者條紋就會影響折射率分布，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(yàn)，團(tuán)隊(duì)并沒有找到規(guī)律，邱建榮團(tuán)隊(duì)開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。

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(yīng)的光學(xué)和熒光照片，比例尺為10μm

圖片來源：浙江大學(xué)微信公眾號

接下來是如何進(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)。

光存儲或?qū)⒊蔀樾乱淮拇鎯惋@示材料

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

此次研究是在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在玻璃內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了組分可調(diào)的鈣鈦礦納米晶，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。

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。

圖片來源：浙江大學(xué)微信公眾號

為了進(jìn)一步展示該技術(shù)的特點(diǎn)，研究人員在微米級精度內(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。

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)境中長期使用。

此研究的一個(gè)應(yīng)用方向就是三維、四維甚至更多維度的光存儲。“現(xiàn)有的存儲設(shè)備多為磁存儲，有一些缺點(diǎn)，一是使用壽命只有3到5年，二是耗能比較大，散熱要求高。”

論文通訊作者之一、之江實(shí)驗(yàn)室譚德志博士表示，光存儲不僅功耗小，而且容量有望達(dá)到1PB/光盤，將是一個(gè)大有可為的發(fā)展方向，預(yù)期存儲壽命將達(dá)到幾百萬年之久。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1126/science.abj2691

綜合來源：央視新聞客戶端、中國科學(xué)報(bào)、浙江大學(xué)微信公眾號等