光学晶体可实现频率转换、参量放大、信号调制等功能，是激光技术的“心脏”。经多年攻关，北京大学团队创造性提出新的光学晶体理论，并应用轻元素材料氮化硼首次制备出一种超薄、高能效的光学晶体“转角菱方氮化硼”（简称TBN），为新一代激光技术奠定理论和材料基础。该成果近日发表于物理学权威期刊《物理评论快报》。
王恩哥教授表示：“该成果不仅是中国在光学晶体理论方面的原创性突破，开辟了利用轻元素二维薄膜材料制备光学晶体的新领域，且制备出的TBN厚度仅有微米量级，是目前已知世界最薄的光学晶体，其能效相较于同等厚度的传统晶体提升了100至1万倍。”
首次制备出超薄、高能效的TBN
激光技术是采用激光的手段，对特定目标进行加工或者检测的技术。如今，激光技术被认为是人类在智能化社会生存和发展的必不可少的工具之一，作为二十世纪的杰出发明，尤其在日常科研、工业和医疗领域，其高精度、高效率的特点使得其成为这些领域中不可或缺的工具。
光学晶体是具有双折射性质的晶体，当光线经过晶体时，会被分为两个互相垂直的光线，其传播速度和折射率也不同。这种现象称为双折射现象。由于晶体结构和光线入射角的不同，双折射现象的强度和方向也会发生变化。光学晶体可实现频率转换、参量放大、信号调制等功能，是激光技术的“心脏”。
相位是描述光波波形变化的度量。晶体中的光波相位匹配、步调一致，才能输出效率和功率理想的激光。近年来，由于传统理论模型和材料体系的局限性，现有传统晶体光学晶体厚度较大，在某些特定应用中存在一些限制，如光学性能不稳定、吸收率高等，已难以满足激光器小型化、高集成、功能化的发展需要。
北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所所长、北京怀柔综合性国家科学中心轻元素量子材料交叉平台副主任刘开辉教授与王恩哥带领研究团队，提出一种新的光学晶体理论。经过多年攻关，研究团队应用轻元素材料氮化硼首次制备出一种超薄、高能效的光学晶体“转角菱方氮化硼”(简称TBN)，为新一代激光技术奠定理论和材料基础。
“超薄晶体”重塑激光技术
在过去的60年里，光学晶体的研究和开发主要以美国科学家提出的两种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，现有晶体难以满足未来发展激光器件的小型化、高集成度和功能化等要求。新一代激光技术的发展需要在光学晶体理论和材料方面取得突破。
“光学晶体产生的激光可以看作是个体的行进柱。扭转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，“刘解释说，他也是北京怀柔国家综合科学中心轻元素量子材料交叉研究所副所长。刘补充说，这项新研究开辟了全新的设计模式和材料体系，实现了从基础光学理论到材料科学与技术的全链条的原始创新。
TBN光学晶体的研发过程中克服了多项技术难题。研究团队通过精确控制材料的生长条件和转角角度，成功制备出了高质量的TBN晶体。这种晶体的厚度仅为1至10微米，相当于普通A4纸厚度的三十分之一，而目前已知的光学晶体厚度多为毫米甚至厘米量级。这一创新性的制备技术为光学晶体的微型化和集成化提供了新的可能。
该项成果不仅是中国在光学晶体理论方面的原创性突破，开辟了利用轻元素二维薄膜材料制备光学晶体的新领域，且制备出的TBN厚度仅有微米量级，是目前已知世界最薄的光学晶体，其能效相较于同等厚度的传统晶体提升了100至1万倍。
光学晶体多领域处于核心地位
光学晶体在非线性晶体行业中占据着核心地位，它们在激光技术中扮演着至关重要的角色。随着激光技术的不断发展，光学晶体的应用领域也在不断扩大，涉及到许多高科技领域，如激光雷达、全息影像、生物医学成像等。以下是一些具体的应用领域：
在光通信领域，光学晶体常被用于制造光学器件，如偏振器、光波导、滤波器等。它们在光通信链路中发挥着关键作用，可以实现信号的编解码和调制，提高通信的效率和稳定性。在激光技术领域，光学晶体是激光器的重要工作介质。例如，Nd:YAG晶体是一种常用的激光器工作介质，被广泛应用于激光加工、激光切割、激光打标等方面。其他光学晶体，如BBO晶体，可用于OPO、THG下转换器、SHG倍频器、差频器等装置中
在医学成像领域，光学晶体如PZT晶体和LiNbO3晶体等被用于超声成像。此外，CdTe和HgCdTe等半导体晶体也常被用于X射线成像及红外成像。光学晶体在光学测量领域也有广泛应用。例如，利用光纤传感器配合锂钛瓷晶体进行光电调制，可以实现对温度、拉力等物理量的测量。使用LiTaO3晶体制造的电光调制器和相移器可以对光学薄膜的缺陷进行高精度检测。
在自动驾驶技术中，激光雷达是实现车辆自主导航的关键设备之一。光学晶体在激光雷达中发挥着重要作用，它们能够将激光束聚焦并定向发射，从而实现精确的测距和定位。随着无人驾驶技术的不断发展，光学晶体在激光雷达等领域的应用将更加广泛。通过精确的激光测距和定位，可以实现车辆的自主导航和避障等功能。
此外，光学晶体还被应用于其他许多高科技领域，如军事侦查、环境保护等。随着这些领域的不断发展，光学晶体的需求也在不断增加。光学晶体的核心地位不仅体现在它们在激光技术中的关键作用，还体现在它们在其他高科技领域的应用。随着科技的不断进步和创新，光学晶体的应用领域还将不断扩大，为非线性晶体行业带来更多的机遇和挑战。
目前，TBN生产技术正在美国、英国、日本等国家申请专利。该团队已经制作了TBN激光器原型，并正在与企业共同开发新一代激光技术。
文章来源： 新华网，花夕灰，股市闲说