光纤飞秒激光：通信、存储与运算技术

光纤飞秒激光在Pb/s量级高速大容量通信技术、大容量数据存储技术、光遗传、量子芯片、量子计算、光量子、人工智能技术，以及超长距离、超大容量、超高速光纤通信系统等多个方向有着广泛的应用。

图155.5　高速微孔阵列加工

（a）激光加工图案；（b）激光加工功率的空间分布；（c）～（f）实际加工效果图

图155.6　光纤飞秒脉冲激光器在加工上的应用

（a）柔性薄膜太阳能电池加工；（b）飞秒激光近视手术；（c）锂电池材料微纳结构化加工；（d）飞秒无油墨彩色打印；（e）生物组织工程及再生医学上的激光辅助生物制造

以光纤飞秒激光五维度光存储为例。由于材料受光不同参数的响应限制，五维度光存储仅在少数材料中得以实现。其中顾敏团队在2009年利用金纳米棒的表面等离子共振（SPR）特性，实现了基于偏振方向、波长以及三维空间的五维度光存储技术；而另一种技术是在熔融石英材料中，通过飞秒激光引入纳米光栅双折射结构，实现了基于偏振方向、光强以及三维空间的五维度光存储。(www.xing528.com)

在熔融石英内部产生纳米光栅结构发现于1999年，P.Kazansky等人将飞秒激光聚焦到参锗熔融石英内部，利用多光子吸收效应对其进行加工，观察到激光的散射变得有一定方向性，会沿着垂直于偏振的方向增强（见图155.7（a））。

图155.7　（a）不同偏振态的飞秒激光聚焦到参锗熔融石英内部时产生的各向异性散射；（b）纳米光栅结构的扫描电子显微镜图；（c）纳米光栅的场发射扫描电子显微镜（FEG-SEM）图，可以看到形成的纳米多孔层状结构；（d）纳米光栅表现出双折射特性的示意图，纳米光栅可以简化为周期排布的折射率不同（n1，n2），厚度不同（t1，t2）的层状结构

到2003年，Y.Shimotsuma等人将经过研磨后的熔融石英样品置于扫描电子显微镜下进行观察，发现经过飞秒激光加工后的区域形成了一种垂直于偏振方向的周期性结构，该结构的最小尺寸仅为20 nm（见图155.7（b））。经超快激光加工后，熔融石英中原有的硅氧键断裂，生成的氧气分子保留在了层状结构中而形成一个纳米多孔的缺氧二氧化硅结构（见图155.7（c）），而周期间隔排布的纳米多孔层状结构和熔融石英夹层表现出了形状双折射的特性，该形状双折射类似于负单轴晶体，同正单轴晶体石英的双折射数值在同一量级（见图155.7（d））。

由纳米光栅形成的双折射，其慢轴角度及相位延迟值可以分别由飞秒激光的偏振和光强来独立控制，因为这样的特性，纳米光栅结构可以用于基于偏振、光强、三维空间的五维度光存储。该存储技术还展现了可擦除重写、耐高温、耐磨、耐化学腐蚀的特性，非常适合数据的长寿命存储。