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)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(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)表于物理學權(quán)威期刊《物理評論快報》。
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
中國科學院院士、北京大學物理學院教授王恩哥接受新華社記者獨家專訪時表示，這一成果不僅是中國在光學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”實現(xiàn)激光的高效產(chǎn)生。（受訪者供圖）
為此，北京大學物理學院凝聚態(tài)物理與材料物理研究所所長、北京懷柔綜合性國家科學中心輕元素量子材料交叉平臺副主任劉開輝教授與王恩哥帶領(lǐng)研究團隊，提出一種新的“轉(zhuǎn)角相位匹配理論”。團隊發(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，形成高能效光學晶體TBN。
“如果把晶體中產(chǎn)生的激光看作是一支隊伍，運用‘轉(zhuǎn)角’方法就能讓所有隊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，相當于普通A4紙厚度的三十分之一，而目前的光學晶體厚度多為毫米甚至厘米量級。
圖為研究團隊成員在實驗室合影。新華社記者 馬曉冬 攝
“光學晶體是激光技術(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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