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)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超薄、高能效的光學(xué)晶體“轉(zhuǎn)角菱方氮化硼”（簡稱TBN），為新一代激光技術(shù)奠定了理論和材料基礎(chǔ)。該成果近日發(fā)表于物理學(xué)權(quán)威期刊《物理評論快報(bào)》。
圖為研究人員用鑷子夾起的一片熔融石英，上面條狀物為TBN。新華社記者 魏夢佳 攝
中國科學(xué)院院士、北京大學(xué)物理學(xué)院教授王恩哥接受新華社記者獨(dú)家專訪時(shí)表示，這一成果不僅是中國在光學(xué)晶體理論方面的原創(chuàng)性突破，開辟了利用輕元素二維薄膜材料制備光學(xué)晶體的新領(lǐng)域，且制備出的TBN厚度僅有微米量級，是目前已知世界最薄的光學(xué)晶體，其能效相較于同等厚度的傳統(tǒng)晶體提升了100至1萬倍。
相位是描述光波波形變化的度量。晶體中的光波相位匹配、步調(diào)一致，才能輸出效率和功率理想的激光。近年來，由于傳統(tǒng)理論模型和材料體系的局限性，現(xiàn)有晶體已難以滿足激光器小型化、高集成、功能化的發(fā)展需要。
圖為通過“旋轉(zhuǎn)”氮化硼“積木”實(shí)現(xiàn)激光的高效產(chǎn)生。（受訪者供圖）
為此，北京大學(xué)物理學(xué)院凝聚態(tài)物理與材料物理研究所所長、北京懷柔綜合性國家科學(xué)中心輕元素量子材料交叉平臺(tái)副主任劉開輝教授與王恩哥帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)，提出一種新的“轉(zhuǎn)角相位匹配理論”。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，將氮化硼材料像“搭積木”一樣堆疊，再“旋轉(zhuǎn)”到特殊角度，就可使不同光波的相位趨于一致，形成高能效光學(xué)晶體TBN。
“如果把晶體中產(chǎn)生的激光看作是一支隊(duì)伍，運(yùn)用‘轉(zhuǎn)角’方法就能讓所有隊(duì)員的方向和步伐高度協(xié)調(diào)，就能提升激光的能量轉(zhuǎn)換效率。”劉開輝說，TBN厚度僅為1至10微米，相當(dāng)于普通A4紙厚度的三十分之一，而目前的光學(xué)晶體厚度多為毫米甚至厘米量級。
圖為研究團(tuán)隊(duì)成員在實(shí)驗(yàn)室合影。新華社記者 馬曉冬 攝
“光學(xué)晶體是激光技術(shù)發(fā)展的基石。”王恩哥說，TBN具備超薄尺寸、優(yōu)異可集成性和全新功能，未來有望在量子光源、光子芯片、人工智能等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)新的應(yīng)用突破。
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