在石英片上，厚度僅有1至3微米的轉(zhuǎn)角菱方氮化硼晶體薄如蟬翼，能效卻比傳統(tǒng)光學(xué)晶體提升了100倍至1萬倍。在4月25日舉行的2024中關(guān)村論壇年會開幕式重大成果發(fā)布環(huán)節(jié)，這款世界上已知最薄的光學(xué)晶體被列為十大科技成果之一。

熔融石英上的菱方氮化硼晶體

激光技術(shù)自被科學(xué)家發(fā)明以來，已經(jīng)走過了60余年的發(fā)展歷程?！凹す饧夹g(shù)是我們當(dāng)下科技文明的基石，在微納加工、量子光源、生物監(jiān)測等領(lǐng)域，激光技術(shù)都在大放光彩?！北本┐髮W(xué)物理學(xué)院教授劉開輝表示，激光技術(shù)的突破，高度依賴于一種特殊材料——光學(xué)晶體。激光頻率轉(zhuǎn)換、脈沖壓縮、信息處理等功能的實(shí)現(xiàn)，都離不開光學(xué)晶體，“可以說，光學(xué)晶體是激光技術(shù)的‘心臟’?！?

如果仔細(xì)“解剖”一臺激光器，能量從輸入儀器到輸出所需的激光，共需要經(jīng)歷3個(gè)環(huán)節(jié)。電能進(jìn)入儀器激發(fā)產(chǎn)生的種子光源，分別通過特定激光晶體、光學(xué)晶體，在諧振腔內(nèi)“折返跑”形成共振，最終產(chǎn)出各類不同功能的激光。激光器的小型化、集成化、功能化是未來激光技術(shù)發(fā)展的核心方向之一，但傳統(tǒng)的光學(xué)晶體很難在有限厚度內(nèi)高效產(chǎn)出激光。瞄準(zhǔn)制備更輕薄的光學(xué)晶體這一目標(biāo)，中國科學(xué)院院士王恩哥與劉開輝一起，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)展開了長達(dá)10余年的攻關(guān)。

他們的原材料就比別人更輕，硼、碳、氮等輕元素的相對分子質(zhì)量較小，經(jīng)過反復(fù)組合嘗試，輕巧的氮化硼成了最優(yōu)選。用其制備出的菱方氮化硼材料單層厚度為0.34納米，僅相當(dāng)于常人頭發(fā)絲直徑的十萬分之一，部分性能卻能與傳統(tǒng)厘米級的光學(xué)晶體材料相媲美。

不過，單層的氮化硼分子無法被作為光學(xué)晶體用于激光器制造。“我們要讓它長大，并沿著特定方向變厚?！眲㈤_輝說。然而實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果只是簡單把一層層的氮化硼分子像疊積木一樣堆疊起來，激光穿過時(shí)會“步調(diào)不一致”，即出現(xiàn)相位失配現(xiàn)象，導(dǎo)致激光無法成功、高效輸出。

在傳統(tǒng)的晶體研究體系中，這一現(xiàn)象的出現(xiàn)，幾乎等于宣告了這種材料的失敗，只能更換新材料重新研發(fā)。但研發(fā)團(tuán)隊(duì)沒有就此放棄，通過復(fù)雜的理論推導(dǎo)，他們發(fā)現(xiàn)了一種新的晶體設(shè)計(jì)方法——當(dāng)把每塊菱方氮化硼材料像擰魔方一樣轉(zhuǎn)動特定的角度，堆疊形成的光學(xué)晶體就能減少激光穿過的能量“內(nèi)耗”，高效產(chǎn)出所需的激光。

“我們把這個(gè)規(guī)律總結(jié)為二維材料的界面轉(zhuǎn)角理論。這是自激光技術(shù)發(fā)明以來，光學(xué)晶體理論的又一個(gè)重大原創(chuàng)突破?！眲㈤_輝感慨，全新的晶體設(shè)計(jì)理論與制備方法相結(jié)合，讓光學(xué)晶體成功“瘦身”，傳統(tǒng)光學(xué)晶體厚度在毫米級到厘米級，而轉(zhuǎn)角氮化硼光學(xué)晶體的厚度只有1至3微米。該理論的應(yīng)用，有望在未來讓激光器的尺寸縮小到毫米甚至微米級。很多曾經(jīng)被認(rèn)為無法制造光學(xué)晶體的材料，也可能在材料堆疊角度的轉(zhuǎn)動中再次煥發(fā)生機(jī)。

在懷柔科學(xué)城，北京大學(xué)與北京市共建的輕元素量子材料交叉平臺為光學(xué)晶體提供了更大的生長空間。“實(shí)驗(yàn)室做出的晶體直徑最多只有五六厘米，要實(shí)現(xiàn)激光技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，就得做出更大尺寸的晶體。”劉開輝說，目前，交叉平臺正在進(jìn)行生產(chǎn)裝備調(diào)試，預(yù)計(jì)未來，直徑數(shù)十厘米的光學(xué)晶體將在這里蓬勃生長。

“光學(xué)晶體是激光技術(shù)發(fā)展的基石，誰掌握了光學(xué)晶體的設(shè)計(jì)理論和制備技術(shù)，誰就掌握了激光技術(shù)的未來?！蓖醵鞲绫硎?，超薄、高能效的轉(zhuǎn)角氮化硼光學(xué)晶體，為新一代激光技術(shù)奠定了理論和材料基礎(chǔ)。其優(yōu)異的可集成性和全新的功能，未來有望在量子光源、量子通信、光子芯片、人工智能等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)新的應(yīng)用突破。

（記者 劉蘇雅）