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。1962年，Giordmaine和诺贝尔奖得主Bloembergen等人提出了非线性参量过程中的双折射相位匹配和周期性极化准相位匹配理论，直接指导了光学晶体的研发制备，并带动了深紫外、超快和超高功率激光器等技术的飞速发展。然而，基于传统光学晶体的物理理论和材料体系已臻于完善，现有晶体已很难满足未来激光器小型化、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和晶体的厚度，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、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。
转角相位匹配理论示意图及TBN光学晶体性能测试
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。工作发表后，新华网等媒体做了重点报道。
附新华社新闻稿：
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论文原文链接，https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.233801
