光学晶体可实现频率转换、参量放大、信号调制等功能，是激光技术的“心脏”。经多年攻关，北京大学团队创造性提出新的光学晶体理论，并应用轻元素材料氮化硼首次制备出一种超薄、高能效的光学晶体“转角菱方氮化硼”（简称TBN），为新一代激光技术奠定理论和材料基础。该成果近日发表于物理学权威期刊《物理评论快报》。
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
中国科学院院士、北京大学物理学院教授王恩哥接受新华社记者独家专访时表示，该成果不仅是中国在光学晶体理论方面的原创性突破，开辟了利用轻元素二维薄膜材料制备光学晶体的新领域，且制备出的TBN厚度仅有微米量级，是目前已知世界最薄的光学晶体，其能效相较于同等厚度的传统晶体提升了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
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
“光学晶体是激光技术发展的基石。”王恩哥说，TBN具备超薄尺寸、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。
