河南
戍天九思原创第722期
据4月25日《新华观点》报道，“世界上已知的最薄光学晶体来了！”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有了100倍至1万倍的提升——这是我国科学家发明的世界上已知最薄的光学晶体。4月25日举行的2024中关村论坛年会开幕式上，这一晶体作为重大成果发布。
北大发明超薄光学晶体并提出二维材料界面转角理论
光学晶体是激光技术的“心脏”。集成化、微型化、多功能化是未来激光器的发展方向。但是，传统光学晶体很难在有限厚度内高效产出激光，因此制备更轻薄的光学晶体成为各国科学家竞相研发的焦点。
中国科学家经反复组合尝试，最终选择了轻巧的氮化硼。但是，如果只是把氮化硼分子一层一层堆叠起来，当激光穿过时会发生“步调不一致”——相位失配现象，这将阻碍激光的高效输出，也无法直接作为光学晶体用于激光器制造。
▲图为熔融石英上的菱方氮化硼晶体。
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等研究人员创造了一种新的晶体设计方法：把每块菱方氮化硼材料像拧魔方一样转动特定角度，堆叠而成的光学晶体就能降低激光穿过的能耗，高效产出所需的激光。
这种首创的晶体设计理论与制备方法相结合，成功使光学晶体“瘦身”至1至3微米。而传统光学晶体厚度要在毫米级到厘米级。
研发团队将这一方法归纳为二维材料的界面转角理论。刘开辉讲“该理论的应用有望让激光器的尺寸缩小至微米级。一些过去无法制造光学晶体的材料，也有望在材料堆叠角度的转动中再次焕发生机。”
▲图为转角光学晶体原位加工和检测系统。
发明超薄氮化硼晶体具有四大战略意义
晶体是激光器的核心部件，一代光学晶体一代激光技术。中国激光技术处于世界先进水平，也源于光学晶体技术的领先。
被称为“中国牌晶体之父”陈创天院士，作为我国材料科学专家，早在1976年就在国际上开创性提出了晶体非线性光学效应的阴离子基团理论，奠定了我国激光晶体技术发展的理论基础，他还先后发明了BBO 、LBO 和KBBF 三种激光晶体，均遥遥领先于美国。
目前，全球激光武器研发开始进入实用化的新阶段，但是，激光武器的功率和小型化问题一直是突出的瓶颈，最大功率只有150千瓦。发明这种超薄氮化硼晶体，将为我国激光武器研发开辟全新技术路线，意义重大。
一是有望研发出超大功率战略级激光武器。这种超薄氮化硼晶体比传统晶体能效提升100倍至1万倍，用这种激光晶体改造现有激光武器，意味着中国有望将现有激光武器功率提高100倍至1万倍，中国有希望率先研制出超大功率的战略级激光武器——无坚不摧，可以轻松地打导弹、打飞机、打航母、打卫星。
二是有利于激光武器小型化。这种超薄氮化硼晶体可使激光武器的体积和重量大幅度缩小，大大提高激光武器的机动性、便携性和部署灵活性。这样，激光武器既能上军舰、上军车，也能上战斗机、上卫星，甚至可以造出威力巨大的激光枪。
三是可大大提高激光武器精度和可靠性。通过对这种超薄氮化硼晶体优化设计，可以减少激光束在传播过程中的能量损失和散射，提高激光束的聚焦性能和指向精度，从而增强激光武器的打击精度和可靠性。
四是为新型激光武器研发提供新思路。传统的光学晶体由于厚度较大，限制了激光器的性能提升和应用拓展。这种超薄高能效的光学晶体为激光技术的发展提供了新的理论和材料基础，可望为新型激光武器的研发提供新的思路和可能性，推动激光武器技术的不断进步和发展。
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