北大创新！TBN 转角氮化硼晶体引领激光技术新突破！

世界上第一台激光器于 1960 年诞生在伯克利大学，从红宝石中发出了第一束人造激光。从理论提出至今仅百余年，却有 20 项诺贝尔奖与激光相关。仅一个甲子多一点的时间，激光技术已发展成为庞大产业，拥有超过 2 万亿美元的巨大市场。

第一束人造激光

激光能量大、方向性强，应用迅速普及。它让信息传输和储存方式实现飞跃，上世纪用激光读写光盘，21 世纪初中国实现光纤到户。在医药行业，近视眼激光手术早已普及，实验室很早就可借助激光分离细胞。光刻机以激光为光源，将电路图案光刻到硅片上。激光甚至能让人变美。要利用激光，就得制造出激光。

第一个激光器的激光从红宝石发出，这块红宝石能被外部能量源激发到高能级，然后回落到低能级状态，在此过程中放出特定波长的激光。如今，各式各样的光学晶体取代了红宝石的位置，成为激光器最核心的元件。而如何在有限厚度内高效产生激光，将筷子粗细的晶体压缩到肉眼几乎不可见，成为世界级难题。

据悉，北京大学的光学晶体被瘦身到 1 至 3 微米，在相同厚度下，效能比传统晶体提高 100 至 1 万倍。这是 2024 年中关村论坛十大重大科技成果之一，在世界范围内获得广泛关注。《Physical Review Letters》刊发了相关成果，该期刊是论文获得诺贝尔物理学奖最多的刊物。这里制作的光学晶体，厚度只有 3 至 5 微米，约为头发丝厚度的五十分之一，薄如蝉翼。

北京大学的光学晶体

该晶体是中国完全原创，与国外路线不同，性能却比传统晶体提升 100 倍到 1 万倍，导热更好，抗激光损伤能力极强，被取名为 TBN 转角氮化硼晶体。

有了这么薄的光学晶体，未来激光器的尺寸有望缩小到微米级。此前做不出这么小的光学晶体，是因为光进入后从基频光变成倍频光，晶体里会出现多种不同频率的光。用相位匹配可将可能与大部队对冲或瞎逛的散户拉到和大部队相同方向，使激光强度更大。当谈论激光晶体时，里面有 10 万层以上材料，且每层原子排布完全平行，精确可控。能做出这个材料很难，只能靠分子自己生长。

激光晶体

将晶体从一层两层突破到 10 万层一块，如将金属放在一层碳材料上面，碳原子会进入金属晶格，从下表面传输到上表面，叫晶核传质。到另一个表面时，开始长小晶体变成大晶体，直到长成一个原子层，再在下面继续长小晶体，变成大晶体，把原来长的那一层顶上来。每一层的生长都发生在原来已有的材料和金属的界面上，叫界面生长。晶格传质界面生长的优势是所有生长由金属的表面进行控制，涉及成熟的表面物理化学科学，对材料的生长控制可达到原子制造的精度。

全新的理论加上成熟的技术，能保证材料的种类、质量和结构都实现原子级的精确控制。但光打到这样的 10 万层新材料上没那么简单，因为材料更多了，又有新难题。后面那块晶体和前面那块晶体光的步调可能相反，光的大部队在有的层可能背向而行。新的晶体材料可做到超薄且无数层叠起来满足整齐排列，但太厚了激光会出问题。

灵感酝酿了十几年。刘开辉读博士时做的是双臂的碳纳米管，两层之间可以有旋转。旋转这个概念在其意识里扎根，在研究别的问题上也能举一反三。其做科研很专注，陪孩子玩时脑子里也装着问题。孩子玩积木，其眼里的积木变成了旋转的材料层。其一直在思考旋转是否能够控制光学的相位。想象用一对光学晶体，把两块晶体旋转一个特殊的角度，激光打到第一块晶体，产生一个相位差，经过旋转的界面，相位差被弥补，两块晶体就贡献了匹配的相位。这种方法很形象，因为核心在于转角，所以叫转角相位匹配理论。

碳纳米管

把这个理论扩展到多层，每层零方氮化硼材料像拧魔方一样转动特定角度，达到 10 万个单层同频。这样堆叠出来的光学晶体能减少激光穿越的能量内耗，高效产出所需的激光。晶格传质界面生长做出来的原子材料单个效率非常高，又把集合的性能通过转角相位匹配保持步调一致，最终事半功倍，用蝉翼一般的厚度实现了原来的功能。

北大创新带来的 TBN 转角氮化硼晶体为激光技术开辟了新的道路，这一突破不仅展现了我国在前沿科技领域的强大实力，也为未来的科学研究和实际应用带来了无限可能。相信在科研人员的不懈努力下，TBN 转角氮化硼晶体将继续发挥其巨大潜力，推动激光技术乃至整个科技领域迈向更高的台阶，为人类的进步和发展书写更加辉煌的篇章。