飛秒是度量時間長短的一種計量單位，也稱為(wei) 毫微微秒，1飛秒為(wei) 1秒的一千萬(wan) 億(yi) 分之一。飛秒激光，顧名思義(yi) 就是在飛秒的時間段內(nei) 發出的脈衝(chong) 激光，也就意味著能量在飛秒間瞬間釋放。有一個(ge) 成語叫蓄勢待發，正好可以用來形容能量在飛秒內(nei) 的集中爆發。

飛秒激光有何驚人之處？一是瞬時峰值功率非常高，甚至比全世界發電總功率還要多出百倍，二是能聚焦到比頭發的直徑還要小的空間區域內(nei) ，使電磁場的強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(ge) 非常顯著的特質，光強甚至能達到10²²W/cm²量級。這樣的強度遠遠超過了原子內(nei) 部相互作用的庫倫(lun) 場，所以，飛秒激光脈衝(chong) 能輕易使電子脫離原子的束縛，形成等離子體(ti) 。

正是因為(wei) 具有超快超強的特點，飛秒激光被廣泛應用於(yu) 信息、環境、能源、醫療等各個(ge) 領域。“為(wei) 什麽(me) 飛秒激光能用來做手術？因為(wei) 眼部神經血管很豐(feng) 富，手術需要穩、準、狠，而這把‘激光刀’幹淨利索，隻對聚焦點區域產(chan) 生作用，不影響周圍環境。”邱建榮說。

穩準狠的飛秒激光，是不是跟古龍筆下例無虛發的小李飛刀有幾分相似呢？

當將飛秒激光聚焦到透明材料內(nei) 部時，會(hui) 產(chan) 生一係列基於(yu) 多種高度非線性效應的物理化學動力學過程。盡管飛秒激光有這麽(me) 多用處，但是科研人員對其機理依舊知之甚少。

邱建榮團隊長期從(cong) 事飛秒激光與(yu) 材料相互作用研究，並取得一係列高度原創的重要突破，處於(yu) 國際領先地位。比如他們(men) 發現了飛秒激光誘導折射率變化、偏振依賴納米光柵、沿激光傳(chuan) 播方向周期性納米孔洞等新現象和新機製，開拓了空間選擇性操控離子價(jia) 態、直寫(xie) 三維光波導、析出和擦除功能納米晶體(ti) 等新技術，部分成果已經在集成光路、光通訊等領域得到應用。

取得這次成果的第一步是製備均勻透明玻璃。“如果玻璃裏麵有一點氣泡、結石或者條紋就會(hui) 影響折射率分布，最終導致基於(yu) 多光子效應的光與(yu) 玻璃相互作用效果的劇烈變化。”研究團隊利用長期研究積累的豐(feng) 富經驗，在大量實驗的基礎上，成功燒製出了均勻的適合激光加工的前驅體(ti) 玻璃。

接下來的一步就是把飛秒激光聚焦照射到玻璃內(nei) 部。但是剛開始的試驗，團隊並沒有找到規律，邱建榮團隊開展了他們(men) 一貫所提倡的“地毯式轟炸”試驗模式，反複調整，反複試驗。在經過精心設計和一係列優(you) 化後，團隊最終獲得了理想的超快激光精雕工藝，成功在玻璃內(nei) 部實現了組分可調的鈣鈦礦納米晶（圖1），在“一瞬間”的時間尺度就能隨心所欲實現結構和性能操控。

圖1 超快激光直寫(xie) 玻璃中成分可調節的CsPb(Br_1-xI_x)₃鈣鈦礦的納米晶光致發光光譜，以及對應的光學和熒光照片，比例尺為(wei) 10μm。

接下來是如何進一步讓激光在瞬間刻出具有眾(zhong) 多像素點構成的三維圖案？如何利用透射掃描電鏡觀察比頭發絲(si) 還要細得多的刻痕？團隊在踏踏實實的研究中攻克了一個(ge) 個(ge) 難關(guan) 。

2019年團隊第一次能夠調控一種發光顏色。經過進一步係統研究，如今團隊已經能調控多種發光顏色了。

“我一直認為(wei) 科學研究沒有什麽(me) 捷徑可走，我們(men) 需要老老實實一步一個(ge) 腳印地開展實證。”邱建榮說。

團隊以含Cl--Br--I-的鹵氧化物複合玻璃為(wei) 例，實現了在玻璃中具有可調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、有機溶液浸泡和250攝氏度高溫環境中表現出顯著的穩定性，展示了這種3D結構納米材料在光存儲(chu) 、Micro-LED和全息顯示方麵的應用。

為(wei) 了進一步展示該技術的特點，研究團隊在微米級精度內(nei) 實現了應用於(yu) 多維信息編碼和防偽(wei) 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(nei) 部的全彩色發光圖案和3D微螺旋直寫(xie) 以及三維全息顯示（圖2）。由於(yu) 超快激光誘導的液相納米分離隻發生在玻璃內(nei) 部的局部位置，三維激光直寫(xie) 技術排除了材料合成和器件加工過程中有機組分(試劑和溶劑)的汙染。此外，穩定性實驗表明該類器件可以在各種環境中長期使用。

圖2 飛秒激光三維直寫(xie) 玻璃中鈣鈦礦納米晶的彩色發光圖案和全息顯示。

此項研究的一個(ge) 應用方向就是三維、四維甚至更多維度的光儲(chu) 存。“現有的存儲(chu) 設備多為(wei) 磁存儲(chu) ，有一些缺點，一是使用壽命隻有3-5年，二是耗能比較大，散熱要求高。”譚德誌表示，光存儲(chu) 不僅(jin) 功耗小，而且容量有望達到1PB/光盤，將是一個(ge) 大有可為(wei) 的未來發展方向，預期存儲(chu) 壽命將達到幾百萬(wan) 年之久。

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