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

2024中關(guān)村論壇年會4月25日開幕，10項重大科技成果發(fā)布?！稗D(zhuǎn)角氮化硼光學晶體原創(chuàng)理論與材料”作為其中一項成果發(fā)布。

光學晶體可實現(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)，北京大學團隊創(chuàng)造性提出新的光學晶體理論，并應用輕元素材料氮化硼首次制備出一種“薄如蟬翼”的光學晶體“轉(zhuǎn)角菱方氮化硼”，這是世界上已知最薄的光學晶體，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。北京大學物理學院供圖

光學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余項諾貝爾獎工作。

光學晶體是激光技術(shù)的核心元件，是實現(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相位匹配兩種理論，直接指導了光學晶體未來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。

北京大學物理學院教授劉開輝介紹，基于傳統(tǒng)光學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?！拔磥砑す馄饕旁谛⌒l(wèi)星中或者納米機器人上，新一代激光技術(shù)的發(fā)展亟待光學晶體理論和材料的創(chuàng)新突破。”

制備新光學晶體僅有1微米厚，能效提升萬倍

北京大學物理學院王恩哥院士團隊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，研究團隊確立輕元素材料光學晶體研究方向，探索輕元素單晶的可控制備與光學晶體理論。

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

同時，研究團隊首創(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晶體——轉(zhuǎn)角菱方氮化硼光學晶體。

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

研究團隊發(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)角菱方氮化硼光學晶體具有超強的光學非線性效應。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晶體領(lǐng)域的重要原創(chuàng)性突破，開辟了光學晶體領(lǐng)域全新的設(shè)計模型和材料體系。

有望在光子芯片等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)新的應用突破

這種新型光學晶體的研發(fā)將極大地推動我國新一代集成化激光技術(shù)的發(fā)展，未來有望在光刻機等微納加工設(shè)備上帶來激光技術(shù)的新突破。同時基于新型光學晶體的小型化激光器具有高集成化和高穩(wěn)定性，將廣泛應用于片式無人機、微型衛(wèi)星的激光器通訊和遙感系統(tǒng)。相較傳統(tǒng)光學晶體，這種新型光學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、單光子源等模塊的核心元件。

目前，研究團隊已與國內(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，同時與用戶單位合作，推進該技術(shù)在光學芯片、量子技術(shù)、航空航天特種用途等領(lǐng)域的研發(fā)應用。

中國科學院院士王恩哥稱，光學晶體是激光技術(shù)發(fā)展的基石，誰掌握了光學晶體的設(shè)計理論和制備技術(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)新的應用突破。