激光因其方向性好、单色性佳、亮度高等特点被广泛应用于制造、检测、传感、医疗等领域。而飞秒激光作为一种特殊的激光，具有超短脉宽和超高光强等特点。

即使是实验室通用的飞秒激光，其瞬间峰值功率可达到全球发电站总功率的 100 倍。因此，飞秒激光是一种在实验室可轻易实现的极端的物理条件。

近年来，飞秒激光技术及相关应用获得多项诺贝尔奖。然而，多年来，无论从基础研究还是应用探索，飞秒激光与物质相互作用仍然是“神奇的领域”，充满了许多未知。

近日，浙江大学邱建荣教授联合国内外多个科研团队发现了一种飞秒激光与物质相互作用的全新物理机制，他们首次使用飞秒激光在玻璃材料内部实现了可调成分和带隙钙钛矿纳米晶体（Perovskite Nanocrystals，PNC）的三维直接光刻。

并且，他们利用该技术进行了超高密度超长寿命光存储、微型发光二极管列阵、彩色全息显示等方面的应用演示。有望实现几百万年甚至更久的光储存，为下一代存储及显示技术提供了新思路。

图丨相关论文（来源：Science）北京时间 2022 年 1 月 21 日，相关论文以《玻璃中稳定的钙钛矿纳米晶体三维直写》（Three-dimensional direct lithography of stableperovskite nanocrystals in glass）为题发表在 Science 上。

该论文共同第一作者是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。谭德志博士和浙江大学光电科学与工程学院邱建荣教授为论文共同通讯作者。

首次使用飞秒激光在玻璃材料内部实现了带隙可控 PNC 的 3D 直接光刻

近年来，飞秒激光器被广泛应用于制造各种材料的三维功能结构，但功能结构的内部组成可调性非常有限。

一般来说，当激光与物质产生反应时，多数利用的是物质对光的线性吸收作用。当亚带隙波长的飞秒激光聚焦照射到透明材料中，会产生高度非线性效应，很多现象相互交杂在一起。

邱建荣团队早在 2000 年左右将飞秒激光照到玻璃材料内部，实现了各种金属纳米颗粒、量子点以及功能微晶的空间选择性析出。

这是由于当飞秒激光聚焦到玻璃内部后，它会在焦点形成等离子体。而等离子体因电子间产生作用而相互排斥，进而产生膨胀和扩散。然后，电子将能量传递给晶格，最后，会产生局域的温度压力场。局域温度超过玻璃晶化或粒子析出的温度时，就会在玻璃内部长出各种晶态粒子。

图丨直接在玻璃光刻组成可调的 PNC（来源：Science）与此同时，该团队也曾尝试过用纳秒激光及长脉冲的皮秒激光聚焦到透明材料的内部，以观察在焦点的地方是否产生变化，但最终通常只在焦点处产生因微爆炸形成的微裂纹。

过去 20 多年的研究中，邱建荣团队用飞秒激光技术在透明材料里实现了各种各样的功能晶体，如二阶非线性光学晶体、三阶非线性光学晶体、金属纳米晶等的空间选择性操控，但是一般只是一种组成晶体或结构的形成。

与以往研究不同，在本次的研究中，邱建荣团队实现了纳微米尺度下，飞秒激光诱导的局域的液体纳米相分离以及紧接着产生的离子交换，验证了 PNC 形成和成分可调性的物理机制。

最直接的表现是，在玻璃内部的任意一个点，都可以让它“随心所欲”地长出各种组成的纳米晶。并且，这种 PNC 在紫外线照射、有机溶液和高达 250℃ 的环境中依然显示出很好的稳定性。

图丨邱建荣教授（左一）与团队（来源：邱建荣）2020 年，他们发现钙钛矿和其他的物质反应“与众不同”。“当把飞秒激光聚焦到材料内部时，纳米晶长在中心，而非过去的边缘位置，这虽然是一个很小的细节，但对我们而言是一种非常神奇的现象。”邱建荣说。

该团队将铯（Cs）、铅（Pb）、溴（Br）作为钙钛矿纳米晶的前驱体掺杂到玻璃基质中，并使用熔融冷却法进行了制备。

而当研究人员用碘（I）部分替代 Br，即把两者混在一起掺到玻璃中，“惊喜”地发现——PNC 不仅长在激光焦点的中心，而且析出的 PNC 组成（对应带隙）随激光照射条件可以进行精细控制。

“有意思的是，随着飞秒激光照射时间的变化（几毫秒），我们发现在长出钙钛矿的地方会产生赤橙黄绿青蓝多种发光。”邱建荣说。

发现有趣的新现象后，对于这种现象背后的机理解释便成了该团队研究的重点。随后，该团队通过电镜等多种方法进行表征。邱建荣解释道：它的原理和油、水的分离及融合类似，飞秒激光诱导的局域高温高压促使玻璃首先产生了微纳相分离。

“飞秒激光继续照射时，紧接着会产生了离子交换现象，Br 跑出来I进去，最后只剩下I，并且组分连续可控。可以理解为，我们发现了一种全新的物理机制。”他说。

图丨动态控制卤化物元素离子迁移和 PNC 的全彩印刷（来源：Science）随后，该团队对于析出的 PNC 进行分析，发现它们的组成不同，也就是说它们的带隙不同，其对应的发光也不同。“在材料内部里任意一个点，我们都可以让它产生我们所需要的不同发光。因此，该技术作为光学的器件在存储、显示、照明等领域有非常重要的应用潜力。”

总的来说，该团队实现了对透明材料的时空域的调控，通过飞秒激光照射的时间来操控这种结构，进而让它产生连续、精细的变化。

该团队希望最终实现跨时间、空间、多维度的调控。通过飞秒激光偏振、相位、脉冲前倾等参数的选择，实现多结构的精细操控，最终实现更多样化的功能。

应用于存储、光能、照明、全息显示等领域，已与国内外公司合作推进

该技术的下一步研究重点包括在低功耗、长寿命、大容量的信息存储。对于技术的优化指标，该团队也有清晰的目标。邱建荣表示，存储速度方面，希望能实现甚至 100 飞秒的单脉冲存储；在数据读取方面，也将开拓包括并行读取等新技术。

他举例说道：“重点研发计划项目希望通过与机器学习等先进技术结合来整体（并列）读取，最终读取速度达到 100GB/s。最终存储的等效容量希望能达到 1PB（千万亿字节，其数据储存量与 113 块 10T 硬盘相当）。”

图丨飞秒激光三维直写玻璃中 PNC 的彩色发光图案和全息显示（来源：Science）目前，已有的单比特存储最低功耗为 50 纳焦，该团队希望未来能实现 10 飞焦。但是，这并不意味着功耗越低越好。邱建荣表示，在实际应用领域，功耗低可能意味着稳定性会受影响，所以具体指标还需要进一步讨论与探索。

在使用寿命上，该技术可以实现调控及长寿命储存，比如几百年甚至永久性储存。一般来说，使用寿命与功耗相互制约，寿命长意味着稳定，功耗也会相对高。“我们的目标是，希望可以用一个光盘储存人一生的数据。”邱建荣说。

据介绍，该技术已应用在承担的国家重点研发计划课题，并申请了 4 个国内专利（其中 1 个已获准），在国际专利方面也将积极布局。

目前，在存储的产业化应用方面，该技术已经与国内外公司共同推进，并在飞秒激光直写光波列阵方面获得了国际领先的损耗记录（插入损耗小于 0.7dB，传输损耗小于 0.07dB/cm）。

邱建荣表示，飞秒激光的相关应用不局限在实验室，近几年团队已经开发了系列通用的应用装备。“未来如果实现大规模应用，装备的稳定性还需要进一步地提高，成本也需要进一步下探。我们已经在布局，期待在不远的将来该技术真正地落地应用。”

联合多团队完成该研究，与飞秒激光领域结缘 27 载

该技术由多团队合作完成，由邱建荣领导的浙大团队负责飞秒激光与材料相互作用机理和操控技术研究，如材料设计、激光与物质相互作用机理，激光操控技术；上海理工大学顾敏院士团队聚焦于全息立体彩色显示；南方科技大学刘召军教授团则重点专注 Micro-LED 的功能演示；丹麦奥尔堡大学岳远征院士团队合作进行了机理的分析。

图丨2005 年，邱建荣教授（右一）获得德国 Abb 基金 Otto-Schott 研究奖（华人唯一获奖者）（来源：邱建荣）邱建荣专注飞秒激光与材料相互作用领域 27 年，他与飞秒激光结缘于1995年。先后曾担任日本京都大学平尾一之教授牵头的项目的 Chief Researcher 和 Group Leader，美国康奈尔大学应用与工程物理系 Gaeta 实验室研究员，中国科学院上海光机所研究员、博士生导师，浙江大学光电科学与工程学院求是特聘教授。此外，他还是教育部长江特聘教授，国家杰出青年基金获得者，美国光学学会 Fellow，美国陶瓷学会 Fellow,世界陶瓷科学院院士。

图丨邱建荣团队（来源：邱建荣）邱建荣认为，“通过研究飞秒激光与物质作用背后的物理机制，再去开拓能精细操控我们所需要结构的技术，进一步地探索它的应用。未来，希望我们在飞秒激光以及激光的应用领域继续有所发现、有所发明、有所创造、有所前进。”

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参考：

1.Ke Sun et al. Science 375，6578，307-310（2022）. https://doi.org/10.1126/science.abj269