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)明第一臺激光器以來,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,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”。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。下載化學(xué)加APP,閱讀更有效率。
北京時間2022年1月21日,國際頂級學(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(qiáng)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(qiáng)甚至能達(dá)到10 W/cm 量級。這樣的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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?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)療等各個領(lǐng)域?!盀槭裁达w秒激光能用來做手術(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,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。
邱建榮團(tuán)隊(duì)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(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。“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。”研究團(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剑磸?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,以及對應(yīng)的光學(xué)和熒光照片,比例尺為10μm。
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個難關(guān)。
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2019年團(tuán)隊(duì)第一次能夠調(diào)控一種發(fā)光顏色。經(jīng)過進(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)研究沒有什么捷徑可走,我們需要老老實(shí)實(shí)一步一個腳印地開展實(shí)證?!鼻窠s說。
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、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。
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)研究的一個應(yīng)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(shè)備多為磁存儲,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,光存儲不僅功耗小,而且容量有望達(dá)到1PB/光盤,將是一個大有可為的未來發(fā)展方向,預(yù)期存儲壽命將達(dá)到幾百萬年之久。
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