激光技術或將“如虎添翼”？中國科學家研發超薄高能效光學晶體！

2023年12月的有新聞報道說，我國科學家研發出超薄高能效光學晶體，為新一代激光技術奠定理論和材料基礎。一句話里好多生詞。不過我相信大家最感興趣的還是激光本身，畢竟科幻片里激光劍、激光武器都沒少聽說。激光技術可以有多厲害，光學晶體跟它什么關系，這個研究先進在哪里？大家好，我是姬揚，今天就來講講這些事。

先說激光，激光是20世紀的一項重大發明。 1916年，著名物理學家愛因斯坦發現了激光的原理，也就是“通過受激輻射過程把光放大”。但是直到幾十年以后，科學家才在實驗室里實現了微波波段的受激輻射放大，進而在1960年制造出了激光，也就是可見光的受激輻射放大。

簡單地說，發光就是原子從高能級跳到低能級的過程中，把一部分能量轉化為光。這就好比是，張三從凳子上跳到地上，發出咚的一生，就是從能量高的地方轉移到能量低的地方，同時把一部分能量轉化為聲音了。原子通常待在低能級，要想跑到高能級，就需要熱、電或者光的激發。如果高能級上有很多原子，但是它們各管各的，自己想什么時候跳下來就什么時候跳，也就是說，它們隨機地發光，這就是普通的光源；如果大家商量好了，聽一聲號令，跟著某個入射光的節奏，千千萬萬個原子從相同的能級處同時往下跳，這就是受激輻射，發出的光跟入射光一模一樣，這樣產生的光就是激光。組織就是戰斗力，一切行動聽指揮的一萬個戰士，跟一萬個自行其是的盲流，戰斗力的差別可就大極了。我就是激光，喝令三山五岳開道，我來了！

相比于普通光源，激光具有亮度高、單色性好和方向性好的優點，應用的范圍非常廣泛，覆蓋了生產和生活的方方面面。我們通常說的激光技術有著很寬泛的含義，包括一切制造激光和使用激光的技術。簡單地說，用光能夠做的事情，用激光都能做得更好、更快。大功率的激光可以切割鋼板，可以擊落無人機甚至導彈，影視作品中的“激光劍”只是玩具而已。

激光器就是產生激光的設備，根據設計原理特別是工作介質，不同類型的激光器可以發出不同的激光，通常用波長和功率等參數來描述，廣泛應用于手術、模型制作、打孔、水下通訊等不同領域，早已深入到我們日常的方方面面。有些激光器只能發出單一的波長、或者是幾種單一的波長，有些激光器發出的激光波長可以在某一段波長范圍內連續可調，因而應用的范圍就更廣泛。

那么，為什么能有這么多種不同的激光呢？激光器有一個關鍵部件叫作增益介質，也就是為原子們提供從高能級往下跳的場所。有一大類激光就是用光學晶體作為增益介質的，不同的光學晶體（其實主要是光學晶體里的雜質原子含量不同）可以用來制作波長不同的激光器?？上У氖?，現在的激光器雖然種類繁多，但是并不能覆蓋所有的波長范圍，在有些波長上雖然能發光，但是功率可能不夠大，這都限制了激光的應用范圍，這也是非線性光學晶體發揮作用的地方。

因為激光的功率很大，它在一些材料中可以誘導出非線性效應，也就是說，出射光的頻率和入射光不一樣：可能是單個入射光的倍頻，也可能是兩個入射光的和頻或差頻。這種光的轉換效率強烈地依賴于入射光的強度、非線性光學晶體本身的特性以及相位匹配條件。

把激光器和非線性晶體結合起來，巧妙地利用倍頻、和頻或差頻，可以得到現有激光器無法輸出的激光，這樣就進一步擴大了激光技術的使用范圍。以前的工作主要是在提高入射光強度和改進單個非線性晶體的轉換效率方面做文章，還需要在轉換過程中滿足相位匹配條件：對于不同頻率的光，非線性晶體的折射率不一樣，因為入射光和出射光的頻率不同，只有適當地選擇入射的方向和晶體的安置角度，在盡可能長的距離上滿足相位匹配條件，才能最大效率地進行轉換。

北京大學的科學家采用了一種新方法，把多個非線性光學晶體（也就是幾片薄薄的氮化硼晶體）堆疊在一起，彼此轉動適當的角度，實現了高效率的倍頻轉換，結果符合理論的預測。這是一種制備非線性光學晶體的新方案，有助于推動激光技術的進一步發展和應用。

我們祝賀他們取得的成功，同時衷心祝愿我國的科技人員能夠繼續取得更大的進步。謝謝大家。

本文為科普中國·星空計劃扶持作品

作者：姬揚 中國科學院半導體研究所研究員

審核：羅會仟 中國科學院物理研究所研究員

出品：中國科協科普部

監制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司