飞秒激光技术在光存储和医学领域的应用研究

1）利用飞秒激光进行光存储

现有的光存储技术，一般采用镀在平坦的高分子等基板表面的相变材料、磁光材料、光致变色材料等，通过激光诱导的结构以及性能的变化来进行信息存储。近年来，研究者们对基于玻璃的直接光存储进行了大量的研究探索。相对于其他的光存储技术，利用飞秒激光进行光存储的优点有：（1）具有非常大的存储密度，可以在有限的空间中存储大量的信息；（2）快速的数据读写；（3）并行随机存取；（4）存储介质成本低廉；（5）相邻数据层间串扰较小。

飞秒激光入射到透明材料的过程有三种不同的结构变化，这是由入射激光脉冲能量大小决定的，会产生不同的非线性电离效应：当入射脉冲能量比较低时，会使辐照区域中心的折射率增加，可以在玻璃内部直写光波导；当脉冲能量比较高时，则在辐照区域会诱导出等离子爆炸而形成的小孔或裂纹，这可以发展成一种三维光存储的技术；当脉冲能量处于一个中间范围时，辐照区域会形成一种折射率呈亚波长周期分布的有序结构，称为纳米光栅，它呈现出了明显的光学双折射效应。

（1）飞秒激光诱导玻璃中的折射率变化。

随着激光技术的不断发展，激光脉冲宽度不断减小，脉冲功率也随之不断升高。飞秒脉冲激光对光学介质的非线性效应，引起透明介质体内发生较大的折射率改变。基于这一现象，可实现材料表面和内部空间上的亚微米操作，实现超高密度光存储。

（2）飞秒激光诱导玻璃中色心形成。

飞秒激光通过物镜聚焦在透明材料内部时，在焦点附近会产生点缺陷、点缺陷对或点缺陷群。通过多光子吸收玻璃中的电子被激发，电子在玻璃网格中迁移时被玻璃中的缺陷所捕获形成色心。迄今为止并没有在玻璃中利用色心形成的光存储探索。但是这种飞秒激光诱导玻璃内部空间选择性色心的形成技术，由于色心具有局域发光和吸收特性，是一种可能在将来应用于光存储的技术。

（3）飞秒激光诱导玻璃内部离子价态变化。

飞秒激光聚焦到玻璃中，通过多光子电离、隧穿电离和雪崩电离在焦点附近形成大量的自由电子，当部分自由电子（或空穴）被掺杂在玻璃中的离子捕获后会产生离子的价态变化。利用这种特性，飞秒激光诱导活性离子的空间选择性价态变化可以实现光存储。能够产生这种效应的离子目前发现得并不多，如过渡金属和重金属离子、稀土离子、贵金属离子等，科学家们正在努力探索寻找更多可以产生价态变化的离子。

（4）飞秒激光诱导偏振依赖纳米光栅。

纳米光栅结构具有独特的性质，如双折射性、可接续性和可擦除重写性等，使其在光学数据存储方面具有很大的潜力。目前该方向的应用研究主要集中于两类：一是利用其可擦除重写特性实现数据的多次写入；二是利用其光轴和光程延迟的可控性实现大容量数据存储。第一类光存储方式，除了利用纳米光栅结构的可擦除特性使得数据可以反复写入外，还能使信息存储过程中出现的错误得到纠正；第二类光存储方式，主要通过控制偏振方向及入射脉冲参数来实现对纳米光栅结构光轴和光程延迟的独立调制，并且将光轴方向和光程延迟作为第四维度和第五维度，从而可以实现多维光存储。

（5）飞秒激光诱导晶体析出。

经研究发现，聚焦的飞秒激光可以诱导玻璃中功能晶体的空间选择性析出，导致局域的发光改变。与玻璃相比，处于晶体中的过渡金属离子周围的晶体场较强，局域对称性较高，非辐射跃迁几率较低，发光效率增高。可以通过在空间中有选择性地析出晶体实现信息存储，并利用晶体的倍频效应进行信息的读取，此种方式在光存储的应用上具有非常大的潜力。

目前，大部分利用飞秒激光进行光存储的研究处于实验室阶段，离真正的应用还有一段距离。但正如以上所述，飞秒激光在透明材料中产生的一系列效应都在光存储领域中具有很大的优势，因此，利用飞秒激光进行光存储的方式具有非常广阔的应用前景。

2）玻璃激光内雕技术

玻璃激光内雕工艺品在国内已经成为一个热门研究领域。传统的激光内雕技术是将激光聚焦在玻璃内部通过扫描实现三维内雕。要实现激光雕刻，在玻璃中，激光聚焦点的激光能量密度必须大于使玻璃破坏的临界值，称为损伤阈值。通过使激光聚焦，可以使激光的能量密度超过这一临界值。脉冲激光的能量可以在瞬间使玻璃受热炸裂，产生微米至毫米数量级的微裂纹，目前已经可以通过计算机控制使其雕刻固定形状的内雕。

（1）激光单色着色内雕。(www.xing528.com)

采用飞秒激光进行加工，由于聚焦光场具有超高的电场强度，从而在焦点附近产生非线性效应，而实现空间高度选择性的微结构改性。通过空间选择性色心控制、离子价态操纵以及纳米粒子析出，可以实现激光玻璃着色内雕。

目前已经有多种方式可以产生着色内雕效果。飞秒激光照射碱金属磷酸盐玻璃后，可以产生一个由氧原子捕获电子形成的吸收带，在激光焦点处形成紫红色的色心，并且此色心在紫外线的照射下呈蓝绿色；飞秒激光照射掺杂活性离子的玻璃，可以实现空间选择性的活性离子价态操控，通过锰离子和铁离子产生的价态变化使照射位置呈现紫色；飞秒激光照射掺杂铜离子的玻璃，产生非线性效应，形成铜纳米颗粒，呈现出红色。

（2）激光多色着色内雕。

飞秒激光照射掺杂金离子的硅酸盐玻璃时，通过控制改变激光作用时间和激光功率，可以控制金纳米颗粒的尺寸分布，从而改变颜色。激光作用时间延长，则吸收峰位置红移，呈现出金纳米粒子的量子尺寸效应；激光输出功率增大，则表面等离子体共振产生的峰向短波偏移，从而呈现出不同的颜色。如今，不仅可以实现多种彩色内雕，而且可以将传统的白色内雕和彩色内雕结合。

目前激光内雕技术可以实现红、黄、紫、蓝、灰等单色内雕，通过开展红、黄、蓝三基色协调研究，可以使玻璃内雕真正实现全彩。激光内雕不仅可以当工艺品，还可以用来制作光子器件，因此激光玻璃内雕技术具有很重要的理论意义和应用前景。

3）飞秒激光用于医学领域

飞秒激光技术的快速发展，极大地促进了生物医学的进步。当聚焦的飞秒激光照射到透明材料上时，由于聚焦点的光场强度非常大，引起非线性效应，但聚焦点附近的热影响很小，所以，当利用飞秒激光作用于细胞时，不会对邻近的细胞或组织造成损伤。飞秒激光技术越来越多地应用于医学成像技术和医学手术之中。

（1）血管成像。

利用双光子或多光子荧光显微镜对血管进行成像，包括对毛细血管的成像，成像可以达到很大的深度，足以满足应用的需求。这种方法简单快速，又对噪声具有很弱的敏感度。

（2）心脏检测及表征。

多光子成像可以用来分析细胞外基质成分。利用这一特点，近红外波段飞秒激光的多光子成像可能成为对心脏血管进行无损检测和表征的有力工具。利用倍频效应对胶状结构进行选择性成像，所得三维图像可以区分出胶状和弹性纤维。无须包埋、定色、着色。

（3）促进皮肤学的研究。

飞秒激光用于显微成像对皮肤学的研究有很大的促进作用。共焦非线性光学显微镜可以提供空间分辨率为亚微米的亚表层三维显微成像，因此可用于皮肤学的研究。用多光子自荧光显微镜结合二次谐波可在不使用染料或组织移除的情况下直接观察皮肤组织结构。使用红外波段飞秒激光，不仅穿透深度深，而且对细胞组织无损害，推动了皮肤学科的发展。

（4）飞秒激光纳米手术。

当飞秒激光被高数值孔径的透镜聚焦，激光辐射区域就会被限制在一个很小的体积内，产生非常大的光子密度，在激光聚焦处，甚至在通常的透明材料中，可以引发多光子吸收，这可以导致以等离子体为媒介的材料切割。利用这一特性，可以实现对细胞或组织的手术切割。具有穿透深度大、分辨率高、精度高等优点，对细胞组织危害性小，可用于激光眼科手术、神经切割，等等。

飞秒激光可以作为多光子荧光显微镜的激发源，也可以成为激光纳米手术的工具，因而在医学领域具有很大的作用，具有非常大的潜力。