傳統(tǒng)晶體的100至1萬倍 全球最薄光學(xué)晶體問世！
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】激光技術(shù)是采用激光的手段，對特定目標(biāo)進行加工或者檢測的技術(shù)。如今，激光技術(shù)被認為是人類在智能化社會生存和發(fā)展的必不可少的工具之一，作為二十世紀(jì)的杰出發(fā)明，尤其在日常科研、工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域，其高精度、高效率的特點使得其成為這些領(lǐng)域中不可或缺的工具。
光學(xué)晶體是具有雙折射性質(zhì)的晶體，當(dāng)光線經(jīng)過晶體時，會被分為兩個互相垂直的光線，其傳播速度和折射率也不同。這種現(xiàn)象稱為雙折射現(xiàn)象。由于晶體結(jié)構(gòu)和光線入射角的不同，雙折射現(xiàn)象的強度和方向也會發(fā)生變化。光學(xué)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”。
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)有傳統(tǒng)晶體光學(xué)晶體厚度較大，在某些特定應(yīng)用中存在一些限制，如光學(xué)性能不穩(wěn)定、吸收率高等，已難以滿足激光器小型化、高集成、功能化的發(fā)展需要。
北京大學(xué)物理學(xué)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(xué)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，提出一種新的光學(xué)晶體理論。經(jīng)過多年攻關(guān)，研究團隊?wèi)?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(xué)晶體“轉(zhuǎn)角菱方氮化硼”(簡稱TBN)，為新一代激光技術(shù)奠定理論和材料基礎(chǔ)。
該研究團隊基于輕元素材料體系開創(chuàng)出第三種相位匹配理論，即“轉(zhuǎn)角相位匹配理論”，他們發(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(xué)晶體TBN。
TBN光學(xué)晶體的研發(fā)過程中克服了多項技術(shù)難題。研究團隊通過精確控制材料的生長條件和轉(zhuǎn)角角度，成功制備出了高質(zhì)量的TBN晶體。這種晶體的厚度僅為1至10微米，相當(dāng)于普通A4紙厚度的三十分之一，而目前已知的光學(xué)晶體厚度多為毫米甚至厘米量級。這一創(chuàng)新性的制備技術(shù)為光學(xué)晶體的微型化和集成化提供了新的可能。
該項成果不僅是中國在光學(xué)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(xué)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(xué)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。
我國成功研制出的相較于同等厚度的傳統(tǒng)晶體提升了100至1萬倍的TBN光學(xué)晶體為光學(xué)科學(xué)與工程領(lǐng)域的發(fā)展帶來了重要的突破。該晶體的研發(fā)成果將在光學(xué)器件、光通信和光電子領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，并對我國光學(xué)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到積極的推動作用。未來，我國仍將在激光晶體技術(shù)領(lǐng)域繼續(xù)深化研發(fā)，為科技進步與國家安全注入更強大的動力。
(資料參考來源：新華社)
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