中關(guān)村論壇年會開幕成果發(fā)布，我國科學(xué)家研發(fā)出全球最薄光學(xué)晶體

2024中關(guān)村論壇年會4月25日開幕，10項(xiàng)重大科技成果發(fā)布。“轉(zhuǎn)角氮化硼光學(xué)晶體原創(chuàng)理論與材料”作為其中一項(xiàng)成果發(fā)布。

光學(xué)晶體可實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換、參量放大、信號調(diào)制等功能，是激光技術(shù)的“心臟”。經(jīng)過多年攻關(guān)，北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性提出新的光學(xué)晶體理論，并應(yīng)用輕元素材料氮化硼首次制備出一種“薄如蟬翼”的光學(xué)晶體“轉(zhuǎn)角菱方氮化硼”，這是世界上已知最薄的光學(xué)晶體，能效相較于傳統(tǒng)晶體提升了100至1萬倍，為新一代激光技術(shù)奠定理論和材料基礎(chǔ)。

熔融石英上的菱方氮化硼晶體。北京大學(xué)物理學(xué)院供圖

光學(xué)晶體理論和材料亟待創(chuàng)新突破

激光技術(shù)是現(xiàn)代科技文明的重要基石。自1960年第一臺紅寶石激光器問世以來，激光技術(shù)的迅速發(fā)展推動了人類科技文明，孕育出超過20000億美元的市場規(guī)模，催生了20余項(xiàng)諾貝爾獎工作。

光學(xué)晶體是激光技術(shù)的核心元件，是實(shí)現(xiàn)激光頻率轉(zhuǎn)換、脈沖壓縮、數(shù)據(jù)加密、信息處理等功能的關(guān)鍵。1962年，哈佛大學(xué)Giordmaine和諾貝爾獎得主Bloembergen等人提出了非線性參量過程中的雙折射相位匹配和周期性極化準(zhǔn)相位匹配兩種理論，直接指導(dǎo)了光學(xué)晶體未來60年的研發(fā)制備，并帶動了深紫外、超快和超高功率激光器等技術(shù)的飛速發(fā)展。

北京大學(xué)物理學(xué)院教授劉開輝介紹，基于傳統(tǒng)光學(xué)晶體的物理理論和材料體系已臻于完善，現(xiàn)有晶體已很難滿足未來激光器小型化、高集成、功能化發(fā)展的新要求。“未來激光器要放在小衛(wèi)星中或者納米機(jī)器人上，新一代激光技術(shù)的發(fā)展亟待光學(xué)晶體理論和材料的創(chuàng)新突破?！?

制備新光學(xué)晶體僅有1微米厚，能效提升萬倍

北京大學(xué)物理學(xué)院王恩哥院士團(tuán)隊(duì)與劉開輝長期從事輕元素（硼、碳、氮）材料物理和光譜物理研究。2014年，研究團(tuán)隊(duì)確立輕元素材料光學(xué)晶體研究方向，探索輕元素單晶的可控制備與光學(xué)晶體理論。

經(jīng)過10年的積累與沉淀，2023年，研究團(tuán)隊(duì)終于攻克了輕元素單晶材料制備的超級難題，實(shí)現(xiàn)了菱方氮化硼晶體材料的大面積制備，得到了面內(nèi)尺寸達(dá)厘米量級、厚度達(dá)微米量級的菱方氮化硼晶體材料。

同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)了第三種相位匹配理論——界面轉(zhuǎn)角相位匹配理論，并制備了一種全新類型光學(xué)晶體——轉(zhuǎn)角菱方氮化硼光學(xué)晶體。

基于轉(zhuǎn)角菱方氮化硼光學(xué)晶體的小型化全光纖激光器。北京大學(xué)物理學(xué)院供圖

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，將菱方氮化硼晶體材料在特定角度旋轉(zhuǎn)并堆疊，制備的轉(zhuǎn)角菱方氮化硼光學(xué)晶體具有超強(qiáng)的光學(xué)非線性效應(yīng)。晶體僅有微米量級厚度，“薄如蟬翼”，是世界上已知最薄的光學(xué)晶體，能效相較于傳統(tǒng)晶體提升了100至1萬倍。

這一研究成果是中國在光學(xué)晶體領(lǐng)域的重要原創(chuàng)性突破，開辟了光學(xué)晶體領(lǐng)域全新的設(shè)計(jì)模型和材料體系。

有望在光子芯片等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)新的應(yīng)用突破

這種新型光學(xué)晶體的研發(fā)將極大地推動我國新一代集成化激光技術(shù)的發(fā)展，未來有望在光刻機(jī)等微納加工設(shè)備上帶來激光技術(shù)的新突破。同時(shí)基于新型光學(xué)晶體的小型化激光器具有高集成化和高穩(wěn)定性，將廣泛應(yīng)用于片式無人機(jī)、微型衛(wèi)星的激光器通訊和遙感系統(tǒng)。相較傳統(tǒng)光學(xué)晶體，這種新型光學(xué)晶體具有超高的非線性系數(shù)和優(yōu)異的可集成性，將是光子芯片中光調(diào)制器、光波導(dǎo)、單光子源等模塊的核心元件。

目前，研究團(tuán)隊(duì)已與國內(nèi)激光器公司合作，并成功研發(fā)了新一代的全光纖激光器，同時(shí)與用戶單位合作，推進(jìn)該技術(shù)在光學(xué)芯片、量子技術(shù)、航空航天特種用途等領(lǐng)域的研發(fā)應(yīng)用。

中國科學(xué)院院士王恩哥稱，光學(xué)晶體是激光技術(shù)發(fā)展的基石，誰掌握了光學(xué)晶體的設(shè)計(jì)理論和制備技術(shù)，誰就掌握了激光技術(shù)的未來。轉(zhuǎn)角菱方氮化硼光學(xué)晶體具備超薄尺寸、優(yōu)異的可集成性和全新功能，未來有望在量子光源（通訊）、光子芯片、人工智能等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)新的應(yīng)用突破。