激光让材料每个部位发不同光

2023-08-21 09:14:47 来源：今日科学收藏

【资料图】

激光被称为“最快的刀”“最准的尺”“最亮的光”。20世纪80年代，科学家发明了飞秒激光——一种人类在实验室可实现的超短脉冲激光。基于飞秒激光泵浦探测时间分辨技术的飞秒化学，基于飞秒激光超精密光谱技术、飞秒激光啁啾脉冲放大技术原创性成果，近年来相继获诺贝尔奖。

当将飞秒激光聚焦到透明介质内部时，在焦点附近会诱导一系列基于高度非线性过程的物理化学动力学过程，包括多光子吸收、等离子体产生、电子声子耦合等，在焦点附近产生超高电场、超高温度、超高压力、超快冷却等现象。因此超快激光已成为一种非常强大的对透明材料结构和性质进行极端操控的工具，在光电器件制造领域有着广泛的应用。

我们的研究团队在超快激光与材料相互作用及3D极端制造领域有着20多年的研究积累，取得了一系列原创成果，在国际上产生了广泛的影响。

在过去20多年的研究中，我们的研究团队曾发现飞秒激光诱导的离子价态变化、折射率升高、偏振依赖纳米光栅、气泡形成等现象，也实现了基于飞秒激光聚焦照射，以及热处理的空间选择性各种纳米粒子，包括金属、半导体、上转换纳米粒子、量子点析出和擦除。但迄今为止，纳米粒子（晶体）析出在激光焦点的周围，主要基于温度场效应。当局域温度超过析晶温度而低于液相温度时，晶核形成和晶体生长的速度比较大，照射一定时间后就会产生晶体粒子析出。但这次我们的研究团队发现了超快激光诱导透明介质微区液态纳米分相和离子交换新机制，开拓了玻璃微纳结构调控新技术，在应用方面取得了新的突破。

利用聚焦飞秒激光在玻璃内部诱导产生局域的高温高压环境，促使玻璃产生纳米分相，形成含有不同组成的局域结构。随着照射时间延长会产生基于浓度梯度化学势的离子交换，如溴与氯的离子交换，从而进一步在时空域精细调控微区元素组分。在激光停止辐照之后，局域快速冷却导致形成具有不同组分和尺寸带隙可调的半导体纳米晶结构。通过测试电镜和微区分析确认了其物理机制，这一新的发现大大丰富了超快激光与物质相互作用的内涵。

这种超快激光三维调控原理，可以通过聚焦激光三维扫描实现任意形状的三维可控发光结构。应用空间光调制器进一步实现了图案一次性写入，大大提高了写入速度。另外，由于形成的纳米晶被包覆在玻璃内部，使得所写入的纳米晶具有高度的稳定性，在紫外线照射、有机溶液浸泡和250℃高温环境下仍然保持长期稳定性，有望支持构筑长寿命功能器件。

我们的研究团队进一步展示了超快激光直写的3D半导体纳米晶阵列，在多维光存储领域的应用，提出并开拓了在微发光二极管和全息彩色显示方面的应用。传统的纳米晶光电器件从纳米晶制备、图案化，到器件封装等一系列程序都较复杂、耗时长、成本高，而超快激光直写技术可实现一步成型，大大降低了成本。

在理论上突破和技术上创新的基础上，我们的研究团队提出了超快激光诱导玻璃内微区液态纳米分相和离子交换的飞秒激光与物质相互作用的新机制，开拓了玻璃内部写入带隙和发光大范围连续可控的三维半导体纳米晶结构新技术，为新一代微发光二极管器件、显示及存储技术，提供了新的物质基础和技术支撑。

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