光學晶體可實現頻率轉換、參量放大、信號調制等功能，是激光技術的“心臟”。經多年攻關，北京大學團隊創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超薄、高能效的光學晶體“轉角菱方氮化硼”（簡稱TBN），為新一代激光技術奠定理論和材料基礎。該成果近日發表于物理學權威期刊《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
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，該成果不僅是中國在光學晶體理論方面的原創性突破，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、步調一致，才能輸出效率和功率理想的激光。近年來，由于傳統理論模型和材料體系的局限性，現有晶體已難以滿足激光器小型化、高集成、功能化的發展需要。
圖為通過“旋轉”氮化硼“積木”實現激光的高效產生
為此，北京大學物理學院凝聚態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研究團隊，提出一種新的“轉角相位匹配理論”。團隊發現，將氮化硼材料像“搭積木”一樣堆疊，再“旋轉”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。
“如果把晶體中產生的激光看作是一支隊伍，運用‘轉角’方法就能讓所有隊員的方向和步伐高度協調，就能提升激光的能量轉換效率。”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
“光學晶體是激光技術發展的基石。”王恩哥說，TBN具備超薄尺寸、優異可集成性和全新功能，未來有望在量子光源、光子芯片、人工智能等領域實現新的應用突破。
