通过高压与超快激光激发调谐致密化二氧化硅玻璃的光学特性

不仅仅是透明的玻璃

二氧化硅玻璃是支撑互联网、激光和高端光学器件的默默功臣。我们通常将其视为被动且透明的材料，但这项研究表明其内部结构——从而影响其弯光和发光的方式——可以通过两种截然不同的途径被有意重塑：在高温下施加强压，或用超快激光脉冲在内部“写入”。理解这些隐蔽的结构变化为更快的通信、更高密度的数据存储和新型光学器件打开了道路。

将光导入玻璃的两种方式

研究者比较了在高压与加热下致密化的二氧化硅玻璃，与用聚焦的飞秒（千万亿分之一秒）激光脉冲改性时的变化。在两种情形中，原子都更紧密地堆积，这会提高玻璃的折射率——即其弯曲光线的能力。在大量既有实验中，他们发现了一个简单的线性规律：密度增加越多，折射率上升越多，无论玻璃是被压机压缩还是被激光写入。这个共同趋势令人意外，因为两种处理途径在微观上所经过的结构演化路径是相当不同的。

隐含的图案及其临界点

当强烈的激光脉冲在二氧化硅内部发射时，会产生一种细小的内部图案称为纳米光栅——交替的致密层和多孔层，这会强烈影响偏振光的传输。借助能检测微小亮度与色彩变化的显微技术，团队显示这些图案在中等压力下仍然存在，但在约673 K且超过约3.7 吉帕的压力下会有效消失：高压处理抹去了密度调制及其相应的光学效应。即便如此，从实际应用角度看这一过程是可逆的——在抹除之后可以用激光重新写入新的纳米光栅——这暗示可在单块玻璃芯片内部实现可重写的三维光学元件。

让玻璃发光的缺陷

但并非所有变化都相同。通过测量来自玻璃内部缺陷的微弱发光，研究者发现高压处理与激光写入留下了截然不同的电子指纹。激光改性区域表现出强烈的红光与绿光光致发光，这与“非桥连氧”（不再连接到常规网络中的氧原子）有关。相比之下，经高压处理的区域主要产生绿色发射，几乎没有红光，更像致密的石英晶体。这意味着激光路径产生并保留了孤立的缺陷位点，这些位点随后能与光相互作用；而压力路径则将网络推向更放松、更紧密连接的形式，从而压制了这些孤立的发光中心。

窥视玻璃网络

为了将这些光学信号与实际结构联系起来，团队使用拉曼光谱和高能X射线衍射跟踪键角、环尺寸和中程有序性在玻璃中如何演变。高压会缩窄键角分布并缩短中尺度结构特征，使网络更均匀、更致密。激光暴露也会改变键角，但倾向于驱动不同的局部重排，尤其是在已经被压缩的区域。为更深入理解，研究者运行了机器学习驱动的分子动力学模拟，模拟局部超高温加热与快速冷却，类似飞秒激光的作用。这些模拟显示出诸如边共享四面体和更宽分布的环尺寸等不寻常特征的出现，这些结构与非桥连氧的形成及观测到的发光密切相关。

这些差异为何重要

将这些片段拼合起来，研究描绘了两种互补的“编程”玻璃的方式。高压与适度加热使材料在全局上致密化并稳定为一种稳健的高密度态，具有可预测的折光特性但缺陷发光被抑制。相比之下，超快激光在局部起效且过程猛烈：它产生瞬时的温度与压力尖峰，扭曲网络，产生微小的致密—多孔图案，并在玻璃重新冷却时锁定特殊的缺陷位点。由于两种途径可以在选定区域内组合与反复操作，工程师原则上可以在单块二氧化硅中雕刻出三维的折射率与发光模式。对非专业读者来说，关键信息是：玻璃不再只是被动的窗户——通过恰当的工具，其内部结构可以像电路一样被调谐，从而实现更智能的光纤、长期数据存储以及未来在透明材料内部实现光与电子结合的器件。

引用: Tsubone, M., Shimotsuma, Y., Kono, Y. et al. Tuning optical properties of densified silica glass via high pressure and ultrafast laser excitation. NPG Asia Mater 18, 15 (2026). https://doi.org/10.1038/s41427-026-00649-4

关键词: 二氧化硅玻璃, 超快激光写入, 高压致密化, 光子器件, 玻璃缺陷