近日，beat365官方网站量子材料科學中心王恩哥院士、凝聚态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域取得重大突破。研究團隊首創了全新相位匹配概念——界面轉角相位匹配理論，并制備了一種全新類型光學晶體——轉角菱方氮化硼光學晶體，開辟了光學晶體領域新的設計理論和材料體系。2023年12月4日，相關研究成果以“二維材料光學晶體轉角相位匹配”（Twist-phase-matching in two-dimensional materials）為題在線發表于 《物理評論快報》（Physical Review Letters）雜志上。

光學晶體是激光技術的“心髒”，是實現激光頻率轉換、脈沖壓縮、數據加密、信息處理等功能的核心元件。1962年，Giordmaine和諾貝爾獎得主Bloembergen等人提出了非線性參量過程中的雙折射相位匹配和周期性極化準相位匹配理論，直接指導了光學晶體的研發制備，并帶動了深紫外、超快和超高功率激光器等技術的飛速發展。然而，基于傳統光學晶體的物理理論和材料體系已臻于完善，現有晶體已很難滿足未來激光器小型化、高集成、功能化發展的新要求，新一代激光技術的發展亟待光學晶體理論和材料的創新突破。

研究團隊發現，晶體界面轉角可以引入非線性幾何相位，通過設計堆垛晶體的轉角和晶體的厚度，可以實現光學參量過程中的相位匹配，即第三類相位匹配理論——轉角相位匹配。同時，研究團隊探索發現二維輕元素材料菱方氮化硼具有深紫外的帶隙、優異的物理化學穩定性、超高的激光損傷阈值和非線性系數，是非常理想的紫外光學晶體材料。基于界面轉角相位匹配理論，團隊成功制備了第三類光學晶體，轉角菱方氮化硼（TBN）光學晶體。TBN晶體在寬光譜範圍内實現了光學倍頻轉換效率的突破，3.2微米厚度下可達8%，同厚度下相較于傳統晶體提升了100-10000倍，是世界已知最薄的光學晶體。此外，轉角相位匹配賦予TBN全新的功能，使其能夠有效調控參量光的偏振态。這一突破為新一代“極限波長”、“極限尺寸”、“極限穩定”激光技術的革新奠定了理論和材料基礎。

轉角相位匹配理論示意圖及TBN光學晶體性能測試

beat365官方网站凝聚态物理與材料物理研究所洪浩、黃琛、馬辰俊、戚嘉傑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費支持。工作發表後，新華網等媒體做了重點報道。

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