激光因其方向性好、單色性佳、亮度高等特點被廣泛應用于制造、檢測、傳感、醫療等領域。而飛秒激光作為一種特殊的激光，具有超短脈寬和超高光強等特點。
即使是實驗室通用的飛秒激光，其瞬間峰值功率可達到全球發電站總功率的 100 倍。因此，飛秒激光是一種在實驗室可輕易實現的極端的物理條件。
近年來，飛秒激光技術及相關應用獲得多項諾貝爾獎。然而，多年來，無論從基礎研究還是應用探索，飛秒激光與物質相互作用仍然是“神奇的領域”，充滿了許多未知。
近日，浙江大學邱建榮教授聯合國內外多個科研團隊發現了一種飛秒激光與物質相互作用的全新物理機制，他們首次使用飛秒激光在玻璃材料內部實現了可調成分和帶隙鈣鈦礦納米晶體（Perovskite Nanocrystals，PNC）的三維直接光刻。
并且，他們利用該技術進行了超高密度超長壽命光存儲、微型發光二極管列陣、彩色全息顯示等方面的應用演示。有望實現幾百萬年甚至更久的光儲存，為下一代存儲及顯示技術提供了新思路。
圖丨相關論文（來源：Science）北京時間 2022 年 1 月 21 日，相關論文以《玻璃中穩定的鈣鈦礦納米晶體三維直寫》（Three-dimensional direct lithography of stableperovskite nanocrystals in glass）為題發表在 Science 上。
該論文共同第一作者是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。譚德志博士和浙江大學光電科學與工程學院邱建榮教授為論文共同通訊作者。
首次使用飛秒激光在玻璃材料內部實現了帶隙可控 PNC 的 3D 直接光刻
近年來，飛秒激光器被廣泛應用于制造各種材料的三維功能結構，但功能結構的內部組成可調性非常有限。
一般來說，當激光與物質產生反應時，多數利用的是物質對光的線性吸收作用。當亞帶隙波長的飛秒激光聚焦照射到透明材料中，會產生高度非線性效應，很多現象相互交雜在一起。
邱建榮團隊早在 2000 年左右將飛秒激光照到玻璃材料內部，實現了各種金屬納米顆粒、量子點以及功能微晶的空間選擇性析出。
這是由于當飛秒激光聚焦到玻璃內部后，它會在焦點形成等離子體。而等離子體因電子間產生作用而相互排斥，進而產生膨脹和擴散。然后，電子將能量傳遞給晶格，最后，會產生局域的溫度壓力場。局域溫度超過玻璃晶化或粒子析出的溫度時，就會在玻璃內部長出各種晶態粒子。
圖丨直接在玻璃光刻組成可調的 PNC（來源：Science）與此同時，該團隊也曾嘗試過用納秒激光及長脈沖的皮秒激光聚焦到透明材料的內部，以觀察在焦點的地方是否產生變化，但最終通常只在焦點處產生因微爆炸形成的微裂紋。
過去 20 多年的研究中，邱建榮團隊用飛秒激光技術在透明材料里實現了各種各樣的功能晶體，如二階非線性光學晶體、三階非線性光學晶體、金屬納米晶等的空間選擇性操控，但是一般只是一種組成晶體或結構的形成。
與以往研究不同，在本次的研究中，邱建榮團隊實現了納微米尺度下，飛秒激光誘導的局域的液體納米相分離以及緊接著產生的離子交換，驗證了 PNC 形成和成分可調性的物理機制。
最直接的表現是，在玻璃內部的任意一個點，都可以讓它“隨心所欲”地長出各種組成的納米晶。并且，這種 PNC 在紫外線照射、有機溶液和高達 250℃ 的環境中依然顯示出很好的穩定性。
圖丨邱建榮教授（左一）與團隊（來源：邱建榮）2020 年，他們發現鈣鈦礦和其他的物質反應“與眾不同”。“當把飛秒激光聚焦到材料內部時，納米晶長在中心，而非過去的邊緣位置，這雖然是一個很小的細節，但對我們而言是一種非常神奇的現象。”邱建榮說。
該團隊將銫（Cs）、鉛（Pb）、溴（Br）作為鈣鈦礦納米晶的前驅體摻雜到玻璃基質中，并使用熔融冷卻法進行了制備。
而當研究人員用碘（I）部分替代 Br，即把兩者混在一起摻到玻璃中，“驚喜”地發現——PNC 不僅長在激光焦點的中心，而且析出的 PNC 組成（對應帶隙）隨激光照射條件可以進行精細控制。
“有意思的是，隨著飛秒激光照射時間的變化（幾毫秒），我們發現在長出鈣鈦礦的地方會產生赤橙黃綠青藍多種發光。”邱建榮說。
發現有趣的新現象后，對于這種現象背后的機理解釋便成了該團隊研究的重點。隨后，該團隊通過電鏡等多種方法進行表征。邱建榮解釋道：它的原理和油、水的分離及融合類似，飛秒激光誘導的局域高溫高壓促使玻璃首先產生了微納相分離。
“飛秒激光繼續照射時，緊接著會產生了離子交換現象，Br 跑出來I進去，最后只剩下I，并且組分連續可控。可以理解為，我們發現了一種全新的物理機制。”他說。
圖丨動態控制鹵化物元素離子遷移和 PNC 的全彩印刷（來源：Science）隨后，該團隊對于析出的 PNC 進行分析，發現它們的組成不同，也就是說它們的帶隙不同，其對應的發光也不同。“在材料內部里任意一個點，我們都可以讓它產生我們所需要的不同發光。因此，該技術作為光學的器件在存儲、顯示、照明等領域有非常重要的應用潛力。”
總的來說，該團隊實現了對透明材料的時空域的調控，通過飛秒激光照射的時間來操控這種結構，進而讓它產生連續、精細的變化。
該團隊希望最終實現跨時間、空間、多維度的調控。通過飛秒激光偏振、相位、脈沖前傾等參數的選擇，實現多結構的精細操控，最終實現更多樣化的功能。
應用于存儲、光能、照明、全息顯示等領域，已與國內外公司合作推進
該技術的下一步研究重點包括在低功耗、長壽命、大容量的信息存儲。對于技術的優化指標，該團隊也有清晰的目標。邱建榮表示，存儲速度方面，希望能實現甚至 100 飛秒的單脈沖存儲；在數據讀取方面，也將開拓包括并行讀取等新技術。
他舉例說道：“重點研發計劃項目希望通過與機器學習等先進技術結合來整體（并列）讀取，最終讀取速度達到 100GB/s。最終存儲的等效容量希望能達到 1PB（千萬億字節，其數據儲存量與 113 塊 10T 硬盤相當）。”
圖丨飛秒激光三維直寫玻璃中 PNC 的彩色發光圖案和全息顯示（來源：Science）目前，已有的單比特存儲最低功耗為 50 納焦，該團隊希望未來能實現 10 飛焦。但是，這并不意味著功耗越低越好。邱建榮表示，在實際應用領域，功耗低可能意味著穩定性會受影響，所以具體指標還需要進一步討論與探索。
在使用壽命上，該技術可以實現調控及長壽命儲存，比如幾百年甚至永久性儲存。一般來說，使用壽命與功耗相互制約，壽命長意味著穩定，功耗也會相對高。“我們的目標是，希望可以用一個光盤儲存人一生的數據。”邱建榮說。
據介紹，該技術已應用在承擔的國家重點研發計劃課題，并申請了 4 個國內專利（其中 1 個已獲準），在國際專利方面也將積極布局。
目前，在存儲的產業化應用方面，該技術已經與國內外公司共同推進，并在飛秒激光直寫光波列陣方面獲得了國際領先的損耗記錄（插入損耗小于 0.7dB，傳輸損耗小于 0.07dB/cm）。
邱建榮表示，飛秒激光的相關應用不局限在實驗室，近幾年團隊已經開發了系列通用的應用裝備。“未來如果實現大規模應用，裝備的穩定性還需要進一步地提高，成本也需要進一步下探。我們已經在布局，期待在不遠的將來該技術真正地落地應用。”
聯合多團隊完成該研究，與飛秒激光領域結緣 27 載
該技術由多團隊合作完成，由邱建榮領導的浙大團隊負責飛秒激光與材料相互作用機理和操控技術研究，如材料設計、激光與物質相互作用機理，激光操控技術；上海理工大學顧敏院士團隊聚焦于全息立體彩色顯示；南方科技大學劉召軍教授團則重點專注 Micro-LED 的功能演示；丹麥奧爾堡大學岳遠征院士團隊合作進行了機理的分析。
圖丨2005 年，邱建榮教授（右一）獲得德國 Abb 基金 Otto-Schott 研究獎（華人唯一獲獎者）（來源：邱建榮）邱建榮專注飛秒激光與材料相互作用領域 27 年，他與飛秒激光結緣于1995年。先后曾擔任日本京都大學平尾一之教授牽頭的項目的 Chief Researcher 和 Group Leader，美國康奈爾大學應用與工程物理系 Gaeta 實驗室研究員，中國科學院上海光機所研究員、博士生導師，浙江大學光電科學與工程學院求是特聘教授。此外，他還是教育部長江特聘教授，國家杰出青年基金獲得者，美國光學學會 Fellow，美國陶瓷學會 Fellow,世界陶瓷科學院院士。
圖丨邱建榮團隊（來源：邱建榮）邱建榮認為，“通過研究飛秒激光與物質作用背后的物理機制，再去開拓能精細操控我們所需要結構的技術，進一步地探索它的應用。未來，希望我們在飛秒激光以及激光的應用領域繼續有所發現、有所發明、有所創造、有所前進。”
-End-
參考：
1.Ke Sun et al. Science 375，6578，307-310（2022）. https://doi.org/10.1126/science.abj269
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