中国の科学者が超薄型でエネルギー効率の高い光学結晶を開発

光学結晶は、周波数変換、パラメトリック増幅、信号変調などの機能を実現でき、レーザー技術の「心臓部」です。 長年の研究を経て、北京大学のチームは新しい光学結晶理論を創造的に提唱し、軽元素材料である窒化ホウ素を初めて応用して作製しました。
光学結晶は、周波数変換、パラメトリック増幅、信号変調などの機能を実現でき、レーザー技術の「心臓部」です。 長年の研究を経て、北京大学のチームは新しい光学結晶理論を創造的に提唱し、軽元素材料の窒化ホウ素を応用して極薄、高効率の光学結晶「角菱形窒化ホウ素」（略してTBN）を作製した。これは初めて、新世代のレーザー技術の理論的および物質的な基礎を築きます。 この結果は、主要な物理学雑誌である Physical Review Letters に掲載されました。
中国科学院の会員で北京大学物理学院の王恩剛教授は新華社との独占インタビューで、この成果は中国の光学結晶理論における独自の画期的な成果であるだけでなく、新たな分野を切り開くものであると述べた。軽元素を含む二次元薄膜材料を使用して光学結晶を作製する方法だけでなく、厚さわずかマイクロメートルのTBNも作製します。これは現在知られている光学結晶の中で最も薄く、そのエネルギー効率は100対10です。{{同じ厚さの従来の結晶と比較して、4}} 百万倍も大きくなります。 そのエネルギー効率は、同じ厚さの従来の結晶のエネルギー効率よりも 100 ～ 10,000 倍高くなります。
位相は、光波の波形の変化を表す指標です。 結晶内の光波の位相が一致し、段階的に揃っている場合、理想的な効率と出力のレーザーを出力できます。 近年、従来の理論モデルや材料系の限界により、既存の結晶ではレーザーの小型化、高集積化、高機能化といった開発ニーズを満たすことが困難になってきています。
この目的を達成するために、北京大学物理学部物性物理学研究所所長であり、北京の懐柔国立総合科学センター軽元素量子材料クロスプラットフォーム副所長であるLiu Kaihui教授は、 Wang Engo とともに研究者チームを率い、新しい「コーナー位相整合理論」を提案しました。 研究チームは、窒化ホウ素材料を「積み木」のように積み重ね、それを特別な角度に「回転」させることで、異なる光波の位相を収束させて高効率の光学結晶TBNを形成できることを発見した。
「結晶内で発生したレーザーをチームとみなした場合、『コーナリング』方式を使用することでメンバー全員の方向やペースを高度に調整することができ、レーザーのエネルギー変換効率を高めることができます。」 Liu Kaihui氏によると、TBNの厚さはわずか1～10ミクロンで、通常のA4用紙の厚さの30分の1に相当するが、現在の光学結晶の厚さはほとんどがミリメートル、さらにはセンチメートル程度である。
「光学結晶はレーザー技術開発の基礎です。」 TBNは、その超薄型サイズ、優れた集積性、真新しい機能により、将来、量子光源、フォトニックチップ、人工知能などの分野で新たなアプリケーションのブレークスルーを実現すると期待されている、とWang Engo氏は述べた。