北京大學(xué)問世世界最薄光學(xué)晶體：氮化硼晶體

4月25日?qǐng)?bào)道，2024中關(guān)村論壇年會(huì)期間，公布了我國科學(xué)家研發(fā)的全球最薄光學(xué)晶體——菱方氮化硼晶體。

據(jù)悉，光學(xué)晶體被譽(yù)為激光技術(shù)的核心部件，廣泛運(yùn)用于微納加工、量子光源及生物檢測等領(lǐng)域。北京大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)通過不斷嘗試，最終確定氮化硼作為最適合研發(fā)新型激光器的材料。

為此，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了“轉(zhuǎn)角相位匹配理論”，進(jìn)而成功研制出厚度僅為微米級(jí)別的超薄、高效光學(xué)晶體“轉(zhuǎn)角菱方氮化硼”。這種晶體的能效比傳統(tǒng)晶體提高了至少100倍，為新一代激光技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供了堅(jiān)實(shí)的理論和材料支撐。

值得注意的是，2023年12月，北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心王恩哥院士、凝聚態(tài)物理與材料物理研究所劉開輝教授和洪浩特聘副研究員等人在非線性光學(xué)晶體領(lǐng)域取得了重大突破。他們的研究成果已在《物理評(píng)論快報(bào)》雜志上發(fā)表，題目為“二維材料光學(xué)晶體轉(zhuǎn)角相位匹配”。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，二維輕元素材料菱方氮化硼具備深紫外帶隙、良好的物理化學(xué)穩(wěn)定性、極高的激光損傷閾值以及非線性系數(shù)，是極具潛力的紫外光學(xué)晶體材料。基于此，團(tuán)隊(duì)成功制備出第三類光學(xué)晶體——轉(zhuǎn)角菱方氮化硼光學(xué)晶體。

此外，氮化硼晶體在寬光譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了光學(xué)倍頻轉(zhuǎn)換效率的顯著提升，3.2微米厚度下可達(dá)到8%，相比傳統(tǒng)晶體提升了100-10000倍，成為全球最薄的光學(xué)晶體。同時(shí)，轉(zhuǎn)角相位匹配賦予氮化硼全新的功能，使得它可以有效調(diào)控參量光的偏振態(tài)。這項(xiàng)突破為新一代“極限波長”“極限尺寸”“極限穩(wěn)定”激光技術(shù)的革新奠定了理論和材料基礎(chǔ)。

劉開輝教授指出，“該理論的應(yīng)用有望將激光器的尺寸縮減至微米級(jí)別。一些原本難以制造光學(xué)晶體的材料，也有望在材料堆疊角度的轉(zhuǎn)變中重新煥發(fā)活力”。