華研發超薄高能效光學晶體

經多年攻關，北京大學團隊創造性提出新的光學晶體理論，並應用輕元素材料氮化硼首次製備出一種“薄如蟬翼”、具有超高能效的光學晶體——“轉角菱方氮化硼”（簡稱TBN），為新一代激光技術奠定了理論和材料基礎。

該成果近日發表於國際物理學權威期刊《物理評論快報》。

中國科學院院士、北京大學物理學院教授王恩哥表示，這一重要成果是中國在光學晶體理論方面的原創性突破，開闢了利用輕元素二維薄膜材料製備光學晶體的新領域，製備出的TBN厚度僅有微米量級，是目前世界已知最薄的光學晶體，能效相較於同等厚度傳統晶體提升了一百至一萬倍。

激光是信息社會的底層技術之一，光學晶體可實現頻率轉換、參量放大、信號調製等功能，是激光的“心臟”。

過去六十多年，光學晶體的研發方向主要由美國科學家提出的兩種相位匹配理論所指引。此次，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台副主任劉開輝教授與王恩哥帶領研究團隊，基於輕元素材料體系開創出第三種相位匹配理論，即“轉角相位匹配理論”。

“如果我們把晶體中產生的激光看作是一支隊伍，運用‘轉角’方法就能讓所有人的方向和步伐高度協調，就能大大提升激光的能量轉換效率。”劉開輝說，研究開闢了全新的設計模型和材料體系，實現了從基礎光學到材料科學技術的全鏈條原始創新。

記者在實驗室看到，熔融石英上放置的TBN薄如蟬翼，幾乎看不見。“這種晶體的厚度僅為一至十微米，相當於普通A4紙厚度的三十分之一，而目前已知的光學晶體厚度多為毫米甚至厘米量級。”劉開輝介紹。

目前，TBN製備技術正在申請美國、英國、日本等國的專利。研究團隊現已製造出TBN激光器原型機，並正與相關企業聯合開發新一代激光器技術。

“光學晶體是激光技術發展的基石，誰掌握了光學晶體的設計理論和製備技術，誰就掌握了激光技術的未來。”王恩哥說，TBN具備超薄尺寸、優異的可集成性和全新功能，未來非常有望在量子光源、光子芯片、人工智能等領域實現新的應用突破。

水 登