近日，北京大學物理學院量子材料科學中心王恩哥院士、凝聚態(tài)物理與材料物理研究所劉開輝教授和洪浩特聘副研究員與合作者在非線性光學晶體領(lǐng)域取得重大突破。研究團隊首創(chuàng)了全新相位匹配概念——界面轉(zhuǎn)角相位匹配理論，并制備了一種全新類型光學晶體——轉(zhuǎn)角菱方氮化硼光學晶體，開辟了光學晶體領(lǐng)域新的設計理論和材料體系。2023年12月4日，相關(guān)研究成果以《二維材料光學晶體轉(zhuǎn)角相位匹配》（“Twist-phase-matching in two-dimensional materials”）為題在線發(fā)表于 《物理評論快報》（Physical Review Letters）雜志上。

光學晶體是激光技術(shù)的“心臟”，是實現(xiàn)激光頻率轉(zhuǎn)換、脈沖壓縮、數(shù)據(jù)加密、信息處理等功能的核心元件。研究團隊探索發(fā)現(xiàn)二維輕元素材料菱方氮化硼具有深紫外的帶隙、優(yōu)異的物理化學穩(wěn)定性、超高的激光損傷閾值和非線性系數(shù)，是非常理想的紫外光學晶體材料。基于界面轉(zhuǎn)角相位匹配理論，團隊成功制備了第三類光學晶體，轉(zhuǎn)角菱方氮化硼（TBN）光學晶體。TBN晶體在寬光譜范圍內(nèi)實現(xiàn)了光學倍頻轉(zhuǎn)換效率的突破，3.2微米厚度下可達8%，同厚度下相較于傳統(tǒng)晶體提升了100—10000倍，是世界已知最薄的光學晶體。此外，轉(zhuǎn)角相位匹配賦予TBN全新的功能，使其能夠有效調(diào)控參量光的偏振態(tài)。這一突破為新一代“極限波長”“極限尺寸”“極限穩(wěn)定”激光技術(shù)的革新奠定了理論和材料基礎。

轉(zhuǎn)角相位匹配理論示意圖及TBN光學晶體性能測試

北京大學物理學院凝聚態(tài)物理與材料物理研究所洪浩、黃琛、馬辰俊、戚嘉杰為論文共同第一作者，洪浩、劉開輝、王恩哥為論文共同通訊作者。該研究成果得到了科技部、國家自然科學基金委、騰訊新基石基金等經(jīng)費支持。

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