中关村论坛年会开幕成果发布，我国科学家研发出全球最薄光学晶体

2024中关村论坛年会4月25日开幕，10项重大科技成果发布。“转角氮化硼光学晶体原创理论与材料”作为其中一项成果发布。

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”。经过多年攻关，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“薄如蝉翼”的光学晶体“转角菱方氮化硼”，这是世界上已知最薄的光学晶体，能效相较于传统晶体提升了100至1万倍，为新一代激光技术奠定理论和材料基础。

熔融石英上的菱方氮化硼晶体。北京大学物理学院供图

光学晶体理论和材料亟待创新突破

激光技术是现代科技文明的重要基石。自1960年第一台红宝石激光器问世以来，激光技术的迅速发展推动了人类科技文明，孕育出超过20000亿美元的市场规模，催生了20余项诺贝尔奖工作。

光学晶体是激光技术的核心元件，是实现激光频率转换、脉冲压缩、数据加密、信息处理等功能的关键。1962年，哈佛大学Giordmaine和诺贝尔奖得主Bloembergen等人提出了非线性参量过程中的双折射相位匹配和周期性极化准相位匹配两种理论，直接指导了光学晶体未来60年的研发制备，并带动了深紫外、超快和超高功率激光器等技术的飞速发展。

北京大学物理学院教授刘开辉介绍，基于传统光学晶体的物理理论和材料体系已臻于完善，现有晶体已很难满足未来激光器小型化、高集成、功能化发展的新要求。“未来激光器要放在小卫星中或者纳米机器人上，新一代激光技术的发展亟待光学晶体理论和材料的创新突破。”

制备新光学晶体仅有1微米厚，能效提升万倍

北京大学物理学院王恩哥院士团队与刘开辉长期从事轻元素（硼、碳、氮）材料物理和光谱物理研究。2014年，研究团队确立轻元素材料光学晶体研究方向，探索轻元素单晶的可控制备与光学晶体理论。

经过10年的积累与沉淀，2023年，研究团队终于攻克了轻元素单晶材料制备的超级难题，实现了菱方氮化硼晶体材料的大面积制备，得到了面内尺寸达厘米量级、厚度达微米量级的菱方氮化硼晶体材料。

同时，研究团队首创了第三种相位匹配理论——界面转角相位匹配理论，并制备了一种全新类型光学晶体——转角菱方氮化硼光学晶体。

基于转角菱方氮化硼光学晶体的小型化全光纤激光器。北京大学物理学院供图

研究团队发现，将菱方氮化硼晶体材料在特定角度旋转并堆叠，制备的转角菱方氮化硼光学晶体具有超强的光学非线性效应。晶体仅有微米量级厚度，“薄如蝉翼”，是世界上已知最薄的光学晶体，能效相较于传统晶体提升了100至1万倍。

这一研究成果是中国在光学晶体领域的重要原创性突破，开辟了光学晶体领域全新的设计模型和材料体系。

有望在光子芯片等领域实现新的应用突破

这种新型光学晶体的研发将极大地推动我国新一代集成化激光技术的发展，未来有望在光刻机等微纳加工设备上带来激光技术的新突破。同时基于新型光学晶体的小型化激光器具有高集成化和高稳定性，将广泛应用于片式无人机、微型卫星的激光器通讯和遥感系统。相较传统光学晶体，这种新型光学晶体具有超高的非线性系数和优异的可集成性，将是光子芯片中光调制器、光波导、单光子源等模块的核心元件。

目前，研究团队已与国内激光器公司合作，并成功研发了新一代的全光纤激光器，同时与用户单位合作，推进该技术在光学芯片、量子技术、航空航天特种用途等领域的研发应用。

中国科学院院士王恩哥称，光学晶体是激光技术发展的基石，谁掌握了光学晶体的设计理论和制备技术，谁就掌握了激光技术的未来。转角菱方氮化硼光学晶体具备超薄尺寸、优异的可集成性和全新功能，未来有望在量子光源（通讯）、光子芯片、人工智能等领域实现新的应用突破。