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北京大学：研究团队发明用于下一代激光技术的超薄非线性光学晶体

发布时间：2024-01-09 03:00:05 阅读数： 192

北京大学研究团队利用一种新颖的理论（界面转角相位匹配理论）发明了一种具有高能效的新型超薄非线性光学晶体，为下一代激光技术奠定了基础。

北京大学物理学院量子材料科学中心王恩哥院士近日在接受新华社采访时表示，该团队制作的转角菱方氮化硼光学晶体（TBN）厚度达到微米级，是非常理想的紫外光学晶体材料，为目前世界上已知最薄的光学晶体。与相同厚度的传统晶体相比，其能效提高了 100 至 10000 倍。中国科学院王恩哥院士说：这一成果是中国在光学晶体理论方面的原创创新，开创了用二维薄膜材料制造光学晶体的新领域。

该研究成果最近发表在《Physical Review Letters》上。

在随机厚度的转角rBN薄膜（twisted rhombohedral boron nitride films）中实现高效 SHG 的 Twist-PM（转角相位匹配）。(a)由4片不同厚度t1、t2、t3、t4和不同转角的rBN薄膜组合成的非线性光学晶体示意图。(b)用于高效SHG的Twist-PM。对于不同厚度的四种rBN薄膜(800、600、400和300 nm)，在转角角度为（0°、25°、42°、55°）时仍能满足 Twist-PM。资料来源：洪浩等人，《Twist Phase Matching in Two-Dimensional Materials》，《Physical Review Letters》（2023）。

激光是信息社会的基础技术之一。光学晶体可以实现频率转换、参量放大和信号调制等功能，是激光设备的关键部件。

在过去的 60 年中，光学晶体的研究和发展主要以美国科学家提出的两个相位匹配理论为指导。然而，由于传统理论模型和材料体系的局限性，现有晶体已难以满足未来激光器件发展的要求，如小型化、高集成度和功能化等。新一代激光技术的发展需要光学晶体理论和材料的突破。

王恩哥院士和北京大学纳光电子前沿科学中心刘开辉教授带领团队提出了界面转角相位匹配理论，这是第三类基于轻元素材料体系的相位匹配理论。兼任北京怀柔国家综合科学中心轻元素量子材料交叉学科研究所副所长的刘开辉教授解释说：光学晶体产生的激光可以看作是一列行进中的个体。转角机制可以使每个人的方向和步伐高度协调，大大提高激光器的能量转换效率。这项研究开辟了全新的设计模型和材料体系，实现了从光学基础理论到材料科学技术全链条的原始创新。TBN晶体的厚度从1 μm到10 μm不等。我们以前所知道的光学晶体的厚度大多在毫米甚至厘米级别。

目前，TBN 生产技术正在美国、英国、日本等国家申请专利。团队已制成 TBN 激光器样机，并正在与企业合作开发新一代激光技术。

光学晶体是激光技术发展的基石，光学晶体的设计理论和生产技术决定着激光技术的未来。凭借超薄尺寸、出色的集成潜力和新功能，TBN 晶体有望在未来的量子光源、光子芯片、人工智能等领域实现新的应用突破。

参考文献：洪浩等人，《Twist Phase Matching in Two-Dimensional Materials》，《Physical Review Letters》（2023）。