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中關(guān)村論壇年會(huì )開(kāi)幕成果發(fā)布,我國科學(xué)家研發(fā)出全球最薄光學(xué)晶體

信息來(lái)源:本站 | 發(fā)布日期: 2024-08-10 16:00:46 | 瀏覽量:58155

摘要:

2024中關(guān)村論壇年會(huì )4月25日開(kāi)幕,10項重大科技成果發(fā)布?!稗D角氮化硼光學(xué)晶體原創(chuàng )理論與材料”作為其中一項成果發(fā)布。光學(xué)晶體可實(shí)現頻率轉換、參量放大、信號調制等功能,是激光技術(shù)的“心臟”。經(jīng)過(guò)多年攻關(guān),北京大學(xué)團隊創(chuàng )造性提出新的光學(xué)晶體理論,并應用輕元素材…

2024中關(guān)村論壇年會(huì )4月25日開(kāi)幕,10項重大科技成果發(fā)布?!稗D角氮化硼光學(xué)晶體原創(chuàng )理論與材料”作為其中一項成果發(fā)布。

光學(xué)晶體可實(shí)現頻率轉換、參量放大、信號調制等功能,是激光技術(shù)的“心臟”。經(jīng)過(guò)多年攻關(guān),北京大學(xué)團隊創(chuàng )造性提出新的光學(xué)晶體理論,并應用輕元素材料氮化硼首次制備出一種“薄如蟬翼”的光學(xué)晶體“轉角菱方氮化硼”,這是世界上已知最薄的光學(xué)晶體,能效相較于傳統晶體提升了100至1萬(wàn)倍,為新一代激光技術(shù)奠定理論和材料基礎。

熔融石英上的菱方氮化硼晶體。北京大學(xué)物理學(xué)院供圖

光學(xué)晶體理論和材料亟待創(chuàng )新突破

激光技術(shù)是現代科技文明的重要基石。自1960年第一臺紅寶石激光器問(wèn)世以來(lái),激光技術(shù)的迅速發(fā)展推動(dòng)了人類(lèi)科技文明,孕育出超過(guò)20000億美元的市場(chǎng)規模,催生了20余項諾貝爾獎工作。

光學(xué)晶體是激光技術(shù)的核心元件,是實(shí)現激光頻率轉換、脈沖壓縮、數據加密、信息處理等功能的關(guān)鍵。1962年,哈佛大學(xué)Giordmaine和諾貝爾獎得主Bloembergen等人提出了非線(xiàn)性參量過(guò)程中的雙折射相位匹配和周期性極化準相位匹配兩種理論,直接指導了光學(xué)晶體未來(lái)60年的研發(fā)制備,并帶動(dòng)了深紫外、超快和超高功率激光器等技術(shù)的飛速發(fā)展。

北京大學(xué)物理學(xué)院教授劉開(kāi)輝介紹,基于傳統光學(xué)晶體的物理理論和材料體系已臻于完善,現有晶體已很難滿(mǎn)足未來(lái)激光器小型化、高集成、功能化發(fā)展的新要求?!拔磥?lái)激光器要放在小衛星中或者納米機器人上,新一代激光技術(shù)的發(fā)展亟待光學(xué)晶體理論和材料的創(chuàng )新突破?!?

制備新光學(xué)晶體僅有1微米厚,能效提升萬(wàn)倍

北京大學(xué)物理學(xué)院王恩哥院士團隊與劉開(kāi)輝長(cháng)期從事輕元素(硼、碳、氮)材料物理和光譜物理研究。2014年,研究團隊確立輕元素材料光學(xué)晶體研究方向,探索輕元素單晶的可控制備與光學(xué)晶體理論。

經(jīng)過(guò)10年的積累與沉淀,2023年,研究團隊終于攻克了輕元素單晶材料制備的超級難題,實(shí)現了菱方氮化硼晶體材料的大面積制備,得到了面內尺寸達厘米量級、厚度達微米量級的菱方氮化硼晶體材料。

同時(shí),研究團隊首創(chuàng )了第三種相位匹配理論——界面轉角相位匹配理論,并制備了一種全新類(lèi)型光學(xué)晶體——轉角菱方氮化硼光學(xué)晶體。

基于轉角菱方氮化硼光學(xué)晶體的小型化全光纖激光器。北京大學(xué)物理學(xué)院供圖

研究團隊發(fā)現,將菱方氮化硼晶體材料在特定角度旋轉并堆疊,制備的轉角菱方氮化硼光學(xué)晶體具有超強的光學(xué)非線(xiàn)性效應。晶體僅有微米量級厚度,“薄如蟬翼”,是世界上已知最薄的光學(xué)晶體,能效相較于傳統晶體提升了100至1萬(wàn)倍。

這一研究成果是中國在光學(xué)晶體領(lǐng)域的重要原創(chuàng )性突破,開(kāi)辟了光學(xué)晶體領(lǐng)域全新的設計模型和材料體系。

有望在光子芯片等領(lǐng)域實(shí)現新的應用突破

這種新型光學(xué)晶體的研發(fā)將極大地推動(dòng)我國新一代集成化激光技術(shù)的發(fā)展,未來(lái)有望在光刻機等微納加工設備上帶來(lái)激光技術(shù)的新突破。同時(shí)基于新型光學(xué)晶體的小型化激光器具有高集成化和高穩定性,將廣泛應用于片式無(wú)人機、微型衛星的激光器通訊和遙感系統。相較傳統光學(xué)晶體,這種新型光學(xué)晶體具有超高的非線(xiàn)性系數和優(yōu)異的可集成性,將是光子芯片中光調制器、光波導、單光子源等模塊的核心元件。

目前,研究團隊已與國內激光器公司合作,并成功研發(fā)了新一代的全光纖激光器,同時(shí)與用戶(hù)單位合作,推進(jìn)該技術(shù)在光學(xué)芯片、量子技術(shù)、航空航天特種用途等領(lǐng)域的研發(fā)應用。

中國科學(xué)院院士王恩哥稱(chēng),光學(xué)晶體是激光技術(shù)發(fā)展的基石,誰(shuí)掌握了光學(xué)晶體的設計理論和制備技術(shù),誰(shuí)就掌握了激光技術(shù)的未來(lái)。轉角菱方氮化硼光學(xué)晶體具備超薄尺寸、優(yōu)異的可集成性和全新功能,未來(lái)有望在量子光源(通訊)、光子芯片、人工智能等領(lǐng)域實(shí)現新的應用突破。

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