美海军在六方氮化硼材料光学应用领域取得突破

      美海军在六方氮化硼材料光学应用领域取得突破

      近日，美海军研究实验室(NRL)牵头的科学家团队在六方氮化硼材料(h-BN)的光学应用方面取得突破，有望推动小型激光器、纳米光学技术等领域的快速发展。

      基本情况

      当前，天然六方氮化硼已经被证明是一种具有广泛应用前景的光学材料(尤其是在新兴的纳米光学领域)，有望在纳米尺度实现对光的控制和操作，但其 在光传输效率方面的缺陷使其应用受到限制。为解决该问题，NRL联合美国加州大学、堪萨斯大学、橡树岭国家实验室、哥伦比亚大学、范德堡大学的科学家对此展开研究。天然六方氮化硼由B-10和B-11两种硼的同位素构成，两者的原子量相差近10%。研究认为正是这种差异导致天然六方氮化硼内部性质不均匀，光子的散射效应较强，最终表现为光的传输效率较低。研究团队采用B-10或B-11单质与氮气在高温条件下制备出只包含一种硼同位素的h-BN材料。测试结果表明，与天然h-BN相比，研究团队制备的新型h-BN材料的光学损失显著降低，传输效率提升3倍以上，使得制造基于h-BN的光学器件成为可能。该研究不仅使h-BN材料在光学应用方面取得突破，也为其他材料的研究提供了一种新的、普适的研究方法。

      基本认识

      ①从军事应用角度而言，由于h-BN可在纳米尺度实现对光的控制和操作，该研究成果有望加速光学器件向高效化、小型化方向发展，这就意味着未来军用光学传感器、激光器的体积将更小，搭载平台的设计更加灵活，也使得光学传感器和激光器的应用领域和场景发生颠覆性变化。

      ②新型h-BN材料有望推动纳米光学领域的快速发展。以高分辨率显微镜应用为例，传统显微镜利用反射元素聚光来提高分辨率，但由于反射的限制，所得最大分辨率也在百纳米数量级。而h-BN材料在光学应用领域的突破有望将显微镜的分辨率提升至几纳米级别，使得科学家及研究人员能够对更微观的材料结构和现象进行探究，这将极大地加强基础研究的条件和能力，促进基础科学的发展。

      ③新型h-BN材料有望进一步推动光计算技术的发展。由于光速比铜线中的电脉冲速度要快的多，让未来计算机性能显著提升的方式之一就是让光来取代目前控制计算机的那些电脉冲。光计算技术的核心在于实现对光在纳米尺度的完全操控，但现有光学器件的体积往往较大，且光路较长，实际应用困难。而新型h-BN材料有望克服上述缺陷，逐步构建纳米级光学器件，并朝着集成光计算芯片的方向前进，推动光计算技术发展。