薄如蝉翼的光学晶体能效最高提升10000倍

在石英片上，厚度仅有1至3微米的转角菱方氮化硼晶体薄如蝉翼，能效却比传统光学晶体提升了100倍至1万倍。在4月25日举行的2024中关村论坛年会开幕式重大成果发布环节，这款世界上已知最薄的光学晶体被列为十大科技成果之一。

激光技术自被科学家发明以来，已经走过了60余年的发展历程。“激光技术是我们当下科技文明的基石，在微纳加工、量子光源、生物监测等领域，激光技术都在大放光彩。”北京大学物理学院教授刘开辉表示，激光技术的突破，高度依赖于一种特殊材料——光学晶体。激光频率转换、脉冲压缩、信息处理等功能的实现，都离不开光学晶体，“可以说，光学晶体是激光技术的‘心脏’。”

熔融石英上的菱方氮化硼晶体

如果仔细“解剖”一台激光器，能量从输入仪器到输出所需的激光，共需要经历3个环节。电能进入仪器激发产生的种子光源，分别通过特定激光晶体、光学晶体，在谐振腔内“折返跑”形成共振，最终产出各类不同功能的激光。激光器的小型化、集成化、功能化是未来激光技术发展的核心方向之一，但传统的光学晶体很难在有限厚度内高效产出激光。瞄准制备更轻薄的光学晶体这一目标，中国科学院院士王恩哥与刘开辉一起，带领团队展开了长达10余年的攻关。

他们的原材料就比别人更轻，硼、碳、氮等轻元素的相对分子质量较小，经过反复组合尝试，轻巧的氮化硼成了最优选。用其制备出的菱方氮化硼材料单层厚度为0.34纳米，仅相当于常人头发丝直径的十万分之一，部分性能却能与传统厘米级的光学晶体材料相媲美。

不过，单层的氮化硼分子无法被作为光学晶体用于激光器制造。“我们要让它长大，并沿着特定方向变厚。”刘开辉说。然而实验发现，如果只是简单把一层层的氮化硼分子像叠积木一样堆叠起来，激光穿过时会“步调不一致”，即出现相位失配现象，导致激光无法成功、高效输出。

在传统的晶体研究体系中，这一现象的出现，几乎等于宣告了这种材料的失败，只能更换新材料重新研发。但研发团队没有就此放弃，通过复杂的理论推导，他们发现了一种新的晶体设计方法——当把每块菱方氮化硼材料像拧魔方一样转动特定的角度，堆叠形成的光学晶体就能减少激光穿过的能量“内耗”，高效产出所需的激光。

“我们把这个规律总结为二维材料的界面转角理论。这是自激光技术发明以来，光学晶体理论的又一个重大原创突破。”刘开辉感慨，全新的晶体设计理论与制备方法相结合，让光学晶体成功“瘦身”，传统光学晶体厚度在毫米级到厘米级，而转角氮化硼光学晶体的厚度只有1至3微米。该理论的应用，有望在未来让激光器的尺寸缩小到毫米甚至微米级。很多曾经被认为无法制造光学晶体的材料，也可能在材料堆叠角度的转动中再次焕发生机。

在怀柔科学城，北京大学与北京市共建的轻元素量子材料交叉平台为光学晶体提供了更大的生长空间。“实验室做出的晶体直径最多只有五六厘米，要实现激光技术的产业化，就得做出更大尺寸的晶体。”刘开辉说，目前，交叉平台正在进行生产装备调试，预计未来，直径数十厘米的光学晶体将在这里蓬勃生长。

“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。”王恩哥表示，超薄、高能效的转角氮化硼光学晶体，为新一代激光技术奠定了理论和材料基础。其优异的可集成性和全新的功能，未来有望在量子光源、量子通信、光子芯片、人工智能等领域实现新的应用突破。