据中国激光杂志社网，于2023年12月22日报道， 2023年12月4日，北京大学物理学院王恩哥院士、刘开辉教授、洪浩副研究员与合作者在非线性光学晶体领域取得了重大突破。研究团队首创了全新相位匹配理论——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全新的设计模型和材料体系。
相关研究成果以“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。
研究背景
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。1962年，诺贝尔奖得主Bloembergen等人提出了非线性参量过程中的双折射相位匹配（利用晶体双折射，实现）和周期性极化准相位匹配（利用周期性极化倒格矢，实现）理论，相关物理模型奠定了非线性光学理论基础。这两类光学晶体理论直接指导了光学晶体的研发制备，并带动了量子光源、光学芯片、超快和超高功率激光器等激光技术的飞速发展。然而，由于传统理论模型和材料体系的局限性，现有晶体已很难满足激光器小型化、高集成、功能化发展的新要求，新一代激光技术的发展亟待光学晶体理论和材料的创新突破。
研究创新点
研究团队发现，晶体界面转角可以引入非线性几何相位。通过设计堆垛晶体的转角θ和晶的厚度d，可以实现光学参量过程中的相位匹配，即第三类相位匹配理论——转角相位匹配。同时，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、出色的物理化学稳定性、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信号转换效率的突破，3.2微米厚度下可达8%，相较于传统晶体提升了100-10000倍。
此外，研究团队发现，利用转角引入的非线性几何相位，通过设计特定的厚度和转角设计可以实现对于输出二次谐波偏振态的调控，这为未来偏振可调的激光技术提供了全新的理论和材料基础。
总结与展望
TBN晶体具备超薄尺寸、优异可集成性和全新功能，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，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。工作发表后，新华网等媒体做了重点报道。
该研究成果得到了科技部、国家自然科学基金委、腾讯科学探索奖等经费支持。
