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二号站登录测速激光界的“小李飞刀”:浙大团队摸清飞秒激光“脾气”,登《Science》

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激光被称为“最快的刀”“最准的尺”“最亮的光”,自上世纪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。激光被公认为20世纪人类最伟大的四大发明之一。激光分连续激光和脉冲激光。上世纪80年代,科学家发明了一种奇特的激光——飞秒激光,一种人类在实验室可以实现的超短脉冲激光。它具有超快、超强和超宽频谱的特点,近年发展非常迅速,飞秒激光相关的技术和前沿应用成果已诞生了多项诺贝尔奖,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”。近日,浙江大学光电科学与工程学院邱建荣教授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。

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北京时间2022年1月21日,国际顶级学术期刊《科学》刊登了这项成果。论文共同第一作者为浙江大学光电科学与工程学院博士生孙轲、之江实验室PI谭德志、上海理工大学研究员方心远。通讯作者为谭德志博士和邱建荣教授。

在论文工作的机理解释、全息显示以及Micro-LED演示等方面,团队与丹麦奥尔堡大学岳远征院士、上海理工大学顾敏院士团队、南方科技大学刘召军教授团队以及浙江大学农生环测试中心进行了卓有成效的合作。

什么是飞秒激光

说到全飞秒近视激光手术,就不得不提飞秒激光。

飞秒激光是一种持续时间非常短的脉冲激光,因为二号站登陆测速链接精确和精密的特性,飞秒激光被广泛的应用于包括近视手术等医学应用领域。

它可以达到很高的瞬时功率,并聚集到极小的区域内,而几乎不对周围的组织产生影响,这也是飞秒激光可以在近视手术过程中可以透过角膜表面在角膜浅表制作角膜透镜,实现“隔山打牛”效果的原因所在。

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除了在近视手术方面的优秀表现之外,飞秒激光2号站线路测速给他们的发明者带来了诺贝尔奖。2018年,诺贝尔物理学奖授予美国科学家亚瑟·阿斯金(Arthur Ashkin)、法国科学家杰哈•莫罗(Gerard Mourou)和加拿大科学家唐娜·斯特里克兰,二号站登陆测速链接中杰哈•莫罗和加唐娜·斯特里克兰就是因为发明了“啁啾脉冲放大技术”,也就是飞秒激光的技术。

飞秒激光如何用于近视矫正?

要了解近视的矫正,先要了解近视是怎么回事。

近视的表现是进入眼中的平行光汇聚到视网膜前,从而产生视觉模糊。我们都知道,度数越高,光线汇聚就越靠前,看得就越不清楚。可是为什么近视患者在近处看东西就清楚了?

因为人近看时,进入眼中的光线是发散的,所以在眼球中聚焦的点就会推后,近视患者能看得清了。离得越近,光线发散的就越厉害,这也就是为什么近视度数越高,看东西越近的原因。

我们都知道,凸透镜曲率越大,焦距越小,光线汇聚越近,反之则越远。近视激光手术通过对角膜进行切削,改变角膜的屈光角度,让原本汇聚在视网膜前的光线重新汇聚到视网膜上。简言之,就是将眼睛里的“凸透镜”曲率变低,让光线汇聚到和正常人眼相同的距离上。

全飞秒近视激光手术的原理是先用飞秒激光透过角膜表面,在角膜浅表制作一个“角膜透镜”,然后再用飞秒激光切一个约2-4毫米的切口,医生通过切口将角膜透镜取出,达到矫正近视的目的。

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,但是科研人员对二号站登陆测速链接机理依旧知之甚少。

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邱建荣团队长期从事飞秒激光与材料相互作用研究,并取得一系列高度原创的重要突破,处于国际领先地位。比如他们发现了飞秒激光诱导折射率变化、偏振依赖纳米光栅、沿激光传播方向周期性纳米孔洞等新现象和新机制,开拓了空间选择性操控离子价态、直写三维光波导、析出和擦除功能纳米晶体等新技术,部分成果已经在集成光路、光通讯等领域得到应用。

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。

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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2号站线路测速要细得多的刻痕?团队在踏踏实实的研究中攻克了一个个难关。

或将成为新一代的存储和显示材料

2019年团队第一次能够调控一种发光颜色。经过进一步系统研究,如今团队已经能调控多种发光颜色了。

“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实证。”邱建荣说。

团队以含Cl–Br–I-的卤氧化物复合玻璃为例,实现了在玻璃中具有可调谐成分和带隙的钙钛矿纳米晶3D直接光刻,形成的纳米晶在紫外线照射、有机溶液浸泡和250摄氏度高温环境中表现出显著的稳定性,展示了这种3D结构纳米材料在光存储、Micro-LED和全息显示方面的应用。

为了进一步展示该技术的特点,研究团队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(图2)。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。

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图2 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。

此项研究的一个应用方向就是三维、四维甚至更多维度的光储存。“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3-5年,二是耗能比较大,散热要求高。”谭德志表示,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未来发展方向,预期存储寿命将达到几百万年之久。

文章来源: 材料科学与工程,太学眼科董媛


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