飞秒是几秒？Science：“飞刀”快准狠，存储寿命几百万年！ · 科普中国网

激光被称为“最快的刀”“最准的尺”“最亮的光”，自20世纪60年代初人类发明第一台激光器以来，已广泛应用于我们生活的方方面面。

上世纪80年代，科学家发明了一种奇特的激光——飞秒激光，是在飞秒的时间段内发出的脉冲激光，也就意味着能量在飞秒间瞬间释放。它具有超快、超强和超宽频谱的特点，现在很多眼科近视矫正手术都用到了飞秒激光。不过，飞秒激光与物质相互作用的机理错综复杂，仍然存在很多疑问，连科研人员都琢磨不透它的“脾气”。

1月21日，《科学》刊登浙江大学光电科学与工程学院教授邱建荣团队最新成果。该研究团队发现了飞秒激光诱导的空间选择性微纳分相和离子交换规律，开拓了飞秒激光三维极端制造新技术，首次在无色透明的玻璃材料内部实现了带隙可控的三维半导体纳米晶结构。这将为新一代显示和存储技术提供新的方向。

图片来源：央视新闻客户端

飞秒激光有何惊人之处？

飞秒是度量时间长短的一种计量单位，也称为毫微微秒，1飞秒为1秒的一千万亿分之一。飞秒激光，顾名思义就是在飞秒的时间段内发出的脉冲激光，也就意味着能量在飞秒间释放。

飞秒激光的惊人之处在于，一是瞬时峰值功率非常高，甚至比全世界发电总功率还要多出百倍；

二是能聚焦到比头发的直径还要小的空间区域内，使电磁场的强度比原子核对其周围电子的作用力还要高。当将飞秒激光聚焦到透明材料内部时，会产生一系列基于多种高度非线性效应的物理化学动力学过程。

正是因为具有超快、超强的特点，飞秒激光被广泛应用于信息、环境、能源、医疗等各个领域。“为什么飞秒激光能用来做眼部手术？因为眼部神经血管很丰富，手术需要稳、准、狠，而这把‘激光刀’干净利索，只对聚焦点区域产生作用，不影响周围环境。”邱建荣说。

稳准狠的飞秒激光，是不是跟古龙笔下例无虚发的小李飞刀有几分相似呢？

揭开“飞刀”秘密

当将飞秒激光聚焦到透明材料内部时，会产生一系列基于多种高度非线性效应的物理化学动力学过程。尽管飞秒激光有这么多用处，但是科研人员对其机理依旧知之甚少。

取得这次成果的第一步是制备均匀透明玻璃。

“如果玻璃里面有一点气泡、结石或者条纹就会影响折射率分布，最终导致基于多光子效应的光与玻璃相互作用效果的剧烈变化。”研究团队利用长期研究积累的丰富经验，在大量实验的基础上，成功烧制出了均匀的适合激光加工的前驱体玻璃。

接下来的一步就是把飞秒激光聚焦照射到玻璃内部。

但是刚开始的试验，团队并没有找到规律，邱建荣团队开展了他们一贯所提倡的“地毯式轰炸”试验模式，反复调整，反复试验。在经过精心设计和一系列优化后，团队最终获得了理想的超快激光精雕工艺，成功在玻璃内部实现了组分可调的钙钛矿纳米晶（图1），在“一瞬间”的时间尺度就能随心所欲实现结构和性能操控。

超快激光直写玻璃中成分可调节的CsPb(Br1-xIx)3钙钛矿的纳米晶光致发光光谱，以及对应的光学和荧光照片，比例尺为10μm

图片来源：浙江大学微信公众号

接下来是如何进一步让激光在瞬间刻出具有众多像素点构成的三维图案？如何利用透射扫描电镜观察比头发丝还要细得多的刻痕？团队在踏踏实实的研究中攻克了一个个难关。

光存储或将成为新一代的存储和显示材料

“我一直认为科学研究没有什么捷径可走，我们需要老老实实一步一个脚印地开展工作。”邱建荣说。

此次研究是在大量实验的基础上，在玻璃内部实现了组分可调的钙钛矿纳米晶，在“一瞬间”的时间尺度就能随心所欲实现结构和性能操控。

飞秒激光三维直写玻璃中钙钛矿纳米晶的彩色发光图案和全息显示。

图片来源：浙江大学微信公众号

为了进一步展示该技术的特点，研究人员在微米级精度内实现了应用于多维信息编码和防伪的钙钛矿纳米晶彩色图案化，以及在一块Cl-Br-I共掺杂玻璃内部的全彩色发光图案和3D微螺旋直写以及三维全息显示。

由于超快激光诱导的液相纳米分离只发生在玻璃内部的局部位置，三维激光直写技术排除了材料合成和器件加工过程中有机组分（试剂和溶剂）的污染。

此外，稳定性实验表明该类器件可以在各种环境中长期使用。

此研究的一个应用方向就是三维、四维甚至更多维度的光存储。“现有的存储设备多为磁存储，有一些缺点，一是使用寿命只有3到5年，二是耗能比较大，散热要求高。”

论文通讯作者之一、之江实验室谭德志博士表示，光存储不仅功耗小，而且容量有望达到1PB/光盘，将是一个大有可为的发展方向，预期存储寿命将达到几百万年之久。