我国科学家研发出超薄高能效光学晶体

发布时间:2023-12-31 / 浏览数:11

我国科学家在光学晶体领域取得了重要突破。他们经过多年的研究,成功提出了一种新的光学晶体理论,并利用轻元素材料氮化硼成功制备出一种超薄、高能效的光学晶体,被命名为“转角菱方氮化硼”(简称TBN)。这一研究成果发表在物理学权威期刊《物理评论快报》上。

图为研究人员用镊子夹起的一片熔融石英,上面条状物为TBN。新华社记者 魏梦佳 摄

北京大学物理学院教授、中国科学院院士王恩哥在接受新华社记者的独家专访时表示,这项成果不仅是中国在光学晶体理论方面的创新突破,还开拓了使用轻元素二维薄膜材料制备光学晶体的新领域。TBN的厚度只有微米级,是目前已知世界上*薄的光学晶体。与传统晶体相比,TBN的能效提升了100至1万倍。

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,现有晶体已难以满足激光器小型化、高集成、功能化的发展需要。

图为通过“旋转”氮化硼“积木”实现激光的高效产生。(受访者供图)

为此,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“转角相位匹配理论”。团队发现,将氮化硼材料像“搭积木”一样堆叠,再“旋转”到特殊角度,就可使不同光波的相位趋于一致,形成高能效光学晶体TBN。

“如果把晶体中产生的激光看作是一支队伍,运用‘转角’方法就能让所有队员的方向和步伐高度协调,就能提升激光的能量转换效率。”刘开辉说,TBN厚度仅为1至10微米,相当于普通A4纸厚度的三十分之一,而目前的光学晶体厚度多为毫米甚至厘米量级。

图为研究团队成员在实验室合影。新华社记者 马晓冬 摄

“光学晶体是激光技术发展的基石。”王恩哥指出,TBN光学晶体具有超薄尺寸、优异可集成性和全新功能,未来有望在量子光源、光子芯片、人工智能等领域实现新的应用突破。