Wie viele Sekunden sind eine Femtosekunde? Wissenschaft: Das „fliegende Messer“ ist schnell, präzise und rücksichtslos und hat eine Lagerfähigkeit von Millionen von Jahren!

Der Laser wird als „das schnellste Messer“, „das genaueste Lineal“ und „das hellste Licht“ bezeichnet. Seit der Erfindung des ersten Lasers in den frühen 1960er Jahren wird er in allen Bereichen unseres Lebens eingesetzt.

In den 1980er Jahren erfanden Wissenschaftler einen besonderen Laser: den Femtosekundenlaser. Dabei handelt es sich um einen gepulsten Laser, der innerhalb einer Zeitspanne von Femtosekunden emittiert wird. Das bedeutet, dass die Energie innerhalb von Femtosekunden sofort freigesetzt wird. Es ist ultraschnell, ultrastark und verfügt über ein ultrabreites Spektrum. Bei vielen Operationen zur Korrektur von Myopie am Auge werden heute Femtosekundenlaser eingesetzt. Der Mechanismus der Wechselwirkung zwischen Femtosekundenlaser und Materie ist jedoch komplex und es bleiben viele Fragen offen. Selbst Forscher können sein „Temperament“ nicht ergründen.

Am 21. Januar veröffentlichte Science die neuesten Ergebnisse des Teams von Professor Qiu Jianrong von der School of Optoelectronic Science and Engineering der Zhejiang-Universität. Das Forschungsteam entdeckte die räumlich selektiven Mikro-Nano-Phasentrennungs- und Ionenaustauschgesetze, die durch Femtosekundenlaser hervorgerufen werden, entwickelte neue dreidimensionale Extremfertigungstechnologien mit Femtosekundenlasern und realisierte erstmals dreidimensionale Halbleiter-Nanokristallstrukturen mit steuerbaren Bandlücken innerhalb farbloser und transparenter Glasmaterialien. Dies wird neue Richtungen für die nächste Generation von Anzeige- und Speichertechnologien vorgeben.

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Was ist so erstaunlich am Femtosekundenlaser?

Femtosekunde ist eine Maßeinheit für die Dauer einer Zeit, auch Femtosekunde genannt. 1 Femtosekunde ist ein Billiardstel einer Sekunde. Der Femtosekundenlaser ist, wie der Name schon sagt, ein gepulster Laser, der innerhalb einer Femtosekunde emittiert wird, was bedeutet, dass die Energie innerhalb von Femtosekunden freigesetzt wird.

Das Erstaunliche an Femtosekundenlasern ist, dass erstens die momentane Spitzenleistung sehr hoch ist, sogar hundertmal höher als die gesamte weltweit erzeugte Leistung;

Zweitens kann es auf einen räumlichen Bereich fokussiert werden, der kleiner ist als der Durchmesser eines Haares, wodurch die Intensität des elektromagnetischen Feldes größer wird als die Kraft, die der Kern auf die ihn umgebenden Elektronen ausübt. Wenn ein Femtosekundenlaser auf ein transparentes Material fokussiert wird, treten eine Reihe physikalischer und chemischer kinetischer Prozesse auf, die auf mehreren stark nichtlinearen Effekten beruhen.

Gerade aufgrund ihrer ultraschnellen und ultrastarken Eigenschaften werden Femtosekundenlaser in zahlreichen Bereichen wie Information, Umwelt, Energie und Medizin eingesetzt. „Warum kann ein Femtosekundenlaser für Augenoperationen verwendet werden? Da das Auge reich an Nerven und Blutgefäßen ist, muss die Operation gleichmäßig, präzise und schonungslos erfolgen. Dieses ‚Lasermesser‘ ist sauber und effizient und arbeitet nur im betroffenen Bereich, ohne die Umgebung zu beeinträchtigen“, sagte Qiu Jianrong.

Ist der stabile, präzise und leistungsstarke Femtosekundenlaser vergleichbar mit dem fliegenden Dolch von Li Xiao in Gu Longs Romanen, der sein Ziel nie verfehlt?

Lüfte das Geheimnis des „Fliegenden Messers“

Wenn ein Femtosekundenlaser auf ein transparentes Material fokussiert wird, treten eine Reihe physikalischer und chemischer kinetischer Prozesse auf, die auf mehreren stark nichtlinearen Effekten beruhen. Obwohl Femtosekundenlaser so vielseitig einsetzbar sind, wissen Forscher noch immer sehr wenig über ihre Mechanismen.

Der erste Schritt zur Erzielung dieses Ergebnisses bestand in der Herstellung eines gleichmäßigen und transparenten Glases.

„Befinden sich Blasen, Steinchen oder Streifen im Glas, beeinflusst dies die Brechungsindexverteilung und führt letztlich zu einer drastischen Veränderung der Wechselwirkung zwischen Licht und Glas aufgrund des Multiphotoneneffekts.“ Das Forschungsteam nutzte den reichen Erfahrungsschatz aus langjähriger Forschung und konnte auf Basis einer Vielzahl von Experimenten erfolgreich ein einheitliches, für die Laserbearbeitung geeignetes Vorläuferglas brennen.

Im nächsten Schritt wird der Femtosekundenlaser auf die Innenseite des Glases fokussiert.

Bei den ersten Experimenten konnte das Team jedoch kein Muster erkennen, sodass Qiu Jianrongs Team den von ihm schon immer empfohlenen „Flächenbombardement“-Testmodus durchführte und wiederholt Anpassungen und Experimente vornahm. Nach sorgfältiger Planung und einer Reihe von Optimierungen gelang es dem Team schließlich, das ideale ultraschnelle Lasergravurverfahren zu entwickeln und erfolgreich Perowskit-Nanokristalle mit anpassbarer Zusammensetzung im Glasinneren herzustellen (Abbildung 1), die eine beliebige Manipulation der Struktur und Leistung im Handumdrehen ermöglichen.

Photolumineszenzspektrum von CsPb(Br1-xIx)3-Perowskit-Nanokristallen mit einstellbarer Zusammensetzung in ultraschnellem Laser-Direktschreibglas und die entsprechenden optischen und Fluoreszenzbilder, Maßstab 10 μm

Bildquelle: Offizieller WeChat-Account der Zhejiang-Universität

Der nächste Schritt besteht darin, den Laser noch weiter in die Lage zu versetzen, sofort ein dreidimensionales Muster aus zahlreichen Pixeln herauszuschneiden. Wie kann man mit einem Transmissions-Rasterelektronenmikroskop Kratzer beobachten, die viel dünner als ein Haar sind? Durch gründliche Recherche überwand das Team die Schwierigkeiten nach und nach.

Optische Speicher könnten eine neue Generation von Speicher- und Anzeigematerialien werden

„Ich war schon immer davon überzeugt, dass es in der wissenschaftlichen Forschung keine Abkürzungen gibt. Wir müssen unsere Arbeit ehrlich und Schritt für Schritt durchführen“, sagte Qiu Jianrong.

Diese Forschung basierte auf einer großen Zahl von Experimenten und führte zu Perowskit-Nanokristallen mit einstellbarer Zusammensetzung im Inneren des Glases, deren Struktur und Leistung in einem „blitzartigen“ Zeitmaßstab beliebig gesteuert werden können.

Bunte Leuchtmuster und holografische Darstellungen von Perowskit-Nanokristallen in Glas durch dreidimensionales Direktschreiben mit Femtosekundenlasern.

Bildquelle: Offizieller WeChat-Account der Zhejiang-Universität

Um die Eigenschaften dieser Technologie weiter zu demonstrieren, gelang es den Forschern, Farbmuster von Perowskit-Nanokristallen für die mehrdimensionale Informationskodierung und Fälschungssicherheit mit einer Präzision im Mikrometerbereich zu erzeugen, sowie vollfarbige Leuchtmuster und dreidimensionale Mikrospiral-Direktschrift und eine dreidimensionale holografische Anzeige in einem Stück Cl-Br-I-codotiertem Glas.

Da die ultraschnelle, laserinduzierte Nanoseparation in der Flüssigphase nur an lokalen Stellen im Inneren des Glases auftritt, verhindert die 3D-Laserdirektschreibtechnologie eine Verunreinigung durch organische Komponenten (Reagenzien und Lösungsmittel) während der Materialsynthese und Geräteverarbeitung.

Darüber hinaus zeigen Stabilitätsversuche, dass solche Geräte über einen langen Zeitraum in verschiedenen Umgebungen eingesetzt werden können.

Eine Anwendungsrichtung dieser Forschung ist die optische Speicherung in drei, vier oder sogar mehr Dimensionen. „Bei den meisten vorhandenen Speichergeräten handelt es sich um Magnetspeicher, die einige Nachteile haben. Erstens beträgt die Lebensdauer nur drei bis fünf Jahre. Zweitens ist der Energieverbrauch relativ hoch und die Anforderungen an die Wärmeableitung sind hoch.“

Dr. Tan Dezhi vom Zhijiang-Labor, einer der korrespondierenden Autoren des Artikels, sagte, dass optische Speicher nicht nur einen geringen Stromverbrauch aufweisen, sondern auch eine Kapazität von voraussichtlich 1 PB/Disk haben, was eine vielversprechende Entwicklungsrichtung darstellt, und dass die erwartete Speicherlebensdauer Millionen von Jahren betragen wird.

Zugehörige Papierinformationen:

https://doi.org/10.1126/science.abj2691

Umfassende Quellen: CCTV News Client, China Science Daily, offizieller WeChat-Account der Zhejiang-Universität usw.