北京大学科研团队实现非线性光学晶体理论及材料新突破

近日，北京大学物理学院量子材料科学中心王恩哥院士、凝聚态物理与材料物理研究所刘开辉教授和洪浩特聘副研究员与合作者在非线性光学晶体领域取得重大突破。研究团队首创了全新相位匹配概念——界面转角相位匹配理论，并制备了一种全新类型光学晶体——转角菱方氮化硼光学晶体，开辟了光学晶体领域新的设计理论和材料体系。2023年12月4日，相关研究成果以《二维材料光学晶体转角相位匹配》（“Twist-phase-matching in two-dimensional materials”）为题在线发表于 《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上。

光学晶体是激光技术的“心脏”，是实现激光频率转换、脉冲压缩、数据加密、信息处理等功能的核心元件。研究团队探索发现二维轻元素材料菱方氮化硼具有深紫外的带隙、优异的物理化学稳定性、超高的激光损伤阈值和非线性系数，是非常理想的紫外光学晶体材料。基于界面转角相位匹配理论，团队成功制备了第三类光学晶体，转角菱方氮化硼（TBN）光学晶体。TBN晶体在宽光谱范围内实现了光学倍频转换效率的突破，3.2微米厚度下可达8%，同厚度下相较于传统晶体提升了100—10000倍，是世界已知最薄的光学晶体。此外，转角相位匹配赋予TBN全新的功能，使其能够有效调控参量光的偏振态。这一突破为新一代“极限波长”“极限尺寸”“极限稳定”激光技术的革新奠定了理论和材料基础。

北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所洪浩、黄琛、马辰俊、戚嘉杰为论文共同第一作者，洪浩、刘开辉、王恩哥为论文共同通讯作者。该研究成果得到了科技部、国家自然科学基金委、腾讯新基石基金等经费支持。

转角相位匹配理论示意图及TBN光学晶体性能测试