在石英片上，厚度僅有1至3微米的轉(zhuǎn)角菱方氮化硼晶體薄如蟬翼，能效卻比傳統(tǒng)光學(xué)晶體提升了100倍至1萬倍。在4月25日舉行的2024中關(guān)村論壇年會開幕式重大成果發(fā)布環(huán)節(jié)，這款世界上已知最薄的光學(xué)晶體被列為十大科技成果之一。

激光技術(shù)自被科學(xué)家發(fā)明以來，已經(jīng)走過了60余年的發(fā)展歷程。“激光技術(shù)是我們當(dāng)下科技文明的基石，在微納加工、量子光源、生物監(jiān)測等領(lǐng)域，激光技術(shù)都在大放光彩。”北京大學(xué)物理學(xué)院教授劉開輝表示，激光技術(shù)的突破，高度依賴于一種特殊材料——光學(xué)晶體。激光頻率轉(zhuǎn)換、脈沖壓縮、信息處理等功能的實現(xiàn)，都離不開光學(xué)晶體，“可以說，光學(xué)晶體是激光技術(shù)的‘心臟’。”

如果仔細“解剖”一臺激光器，能量從輸入儀器到輸出所需的激光，共需要經(jīng)歷3個環(huán)節(jié)。電能進入儀器激發(fā)產(chǎn)生的種子光源，分別通過特定激光晶體、光學(xué)晶體，在諧振腔內(nèi)“折返跑”形成共振，最終產(chǎn)出各類不同功能的激光。激光器的小型化、集成化、功能化是未來激光技術(shù)發(fā)展的核心方向之一，但傳統(tǒng)的光學(xué)晶體很難在有限厚度內(nèi)高效產(chǎn)出激光。瞄準制備更輕薄的光學(xué)晶體這一目標，中國科學(xué)院院士王恩哥與劉開輝一起，帶領(lǐng)團隊展開了長達10余年的攻關(guān)。

他們的原材料就比別人更輕，硼、碳、氮等輕元素的相對分子質(zhì)量較小，經(jīng)過反復(fù)組合嘗試，輕巧的氮化硼成了最優(yōu)選。用其制備出的菱方氮化硼材料單層厚度為0.34納米，僅相當(dāng)于常人頭發(fā)絲直徑的十萬分之一，部分性能卻能與傳統(tǒng)厘米級的光學(xué)晶體材料相媲美。

不過，單層的氮化硼分子無法被作為光學(xué)晶體用于激光器制造。“我們要讓它長大，并沿著特定方向變厚。”劉開輝說。然而實驗發(fā)現(xiàn)，如果只是簡單把一層層的氮化硼分子像疊積木一樣堆疊起來，激光穿過時會“步調(diào)不一致”，即出現(xiàn)相位失配現(xiàn)象，導(dǎo)致激光無法成功、高效輸出。

在傳統(tǒng)的晶體研究體系中，這一現(xiàn)象的出現(xiàn)，幾乎等于宣告了這種材料的失敗，只能更換新材料重新研發(fā)。但研發(fā)團隊沒有就此放棄，通過復(fù)雜的理論推導(dǎo)，他們發(fā)現(xiàn)了一種新的晶體設(shè)計方法——當(dāng)把每塊菱方氮化硼材料像擰魔方一樣轉(zhuǎn)動特定的角度，堆疊形成的光學(xué)晶體就能減少激光穿過的能量“內(nèi)耗”，高效產(chǎn)出所需的激光。

“我們把這個規(guī)律總結(jié)為二維材料的界面轉(zhuǎn)角理論。這是自激光技術(shù)發(fā)明以來，光學(xué)晶體理論的又一個重大原創(chuàng)突破。”劉開輝感慨，全新的晶體設(shè)計理論與制備方法相結(jié)合，讓光學(xué)晶體成功“瘦身”，傳統(tǒng)光學(xué)晶體厚度在毫米級到厘米級，而轉(zhuǎn)角氮化硼光學(xué)晶體的厚度只有1至3微米。該理論的應(yīng)用，有望在未來讓激光器的尺寸縮小到毫米甚至微米級。很多曾經(jīng)被認為無法制造光學(xué)晶體的材料，也可能在材料堆疊角度的轉(zhuǎn)動中再次煥發(fā)生機。

在懷柔科學(xué)城，北京大學(xué)與北京市共建的輕元素量子材料交叉平臺為光學(xué)晶體提供了更大的生長空間。“實驗室做出的晶體直徑最多只有五六厘米，要實現(xiàn)激光技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，就得做出更大尺寸的晶體。”劉開輝說，目前，交叉平臺正在進行生產(chǎn)裝備調(diào)試，預(yù)計未來，直徑數(shù)十厘米的光學(xué)晶體將在這里蓬勃生長。


核心創(chuàng)新：納米尺度上的超快激光

研究人員成功開發(fā)了集成在光子芯片上的超快模式鎖定激光器(Ultrafast Mode-Locked Lasers)，這一壯舉顯著小型化和增強了傳統(tǒng)激光系統(tǒng)的能力，發(fā)表在《科學(xué)》期刊上。

傳統(tǒng)上，以產(chǎn)生飛秒到皮秒的極短光脈沖而聞名的超快模式鎖定激光器既笨重又昂貴。然而，最近由紐約市立大學(xué)（CUNY）高級科學(xué)研究中心的Qushi Guo和加州理工學(xué)院的Alireza Marandi等團隊領(lǐng)導(dǎo)的研究在創(chuàng)建這些激光器規(guī)模小型化方面取得了長足進步。利用納米光子芯片和薄膜鈮酸鋰等材料，他們設(shè)法生產(chǎn)了能夠產(chǎn)生短至4.8皮秒(10的12次方分之一秒)脈沖的激光，目標是達到50飛秒(10的15次方分之一秒)。

這種小型化不僅僅是一個尺寸大小的問題。將這些激光集成到納米光子芯片中開辟了大量機會，使超高速光子學(xué)的巨大潛力更加可能得以釋放，并且可以實現(xiàn)多功能。特別是使用鈮酸鋰，這種材料以其獨特的光學(xué)和電光學(xué)特性而聞名，可以精確控制激光脈沖，這是要求高精度的應(yīng)用中的關(guān)鍵因素。

這些緊湊、超快激光器的潛在應(yīng)用廣泛而多樣。在電信領(lǐng)域中，它們可以顯著提高光網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸速率，為更快、更高效的通信提供途徑。在計算領(lǐng)域，它們?yōu)楣庥嬎闾峁┝艘粭l有前途的途徑，因為使用光而不是電，可能會導(dǎo)致更快的處理速度和更高的效率。

最關(guān)鍵的應(yīng)用之一在于生物和醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域。這些激光的高峰值強度和低平均功率使其成為多光子顯微鏡等敏感成像應(yīng)用的理想選擇，可以在不損壞生物樣品的情況下進行深層組織成像。這項技術(shù)可能會徹底改變醫(yī)療診斷和非侵入性手術(shù)技術(shù)。

在科學(xué)研究中，特別是在化學(xué)和物理學(xué)中，這些激光為研究分子和原子層面的快速化學(xué)反應(yīng)和物理現(xiàn)象提供了獨特的工具。觀察材料內(nèi)部分子鍵或電子動力學(xué)的形成和斷裂等過程可以幫助基礎(chǔ)科學(xué)的重大突破。

此外，這些激光器提供的精度和控制使它們適合材料加工，如半導(dǎo)體制造或微加工，其中精度至關(guān)重要。頻率計量和精密傳感、環(huán)境監(jiān)測，甚至消費電子產(chǎn)品都是這項創(chuàng)新可能產(chǎn)生重大影響的其他領(lǐng)域。


激光技術(shù)在塑造現(xiàn)代制造、信息、醫(yī)療和國防等產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮著不可或缺的作用

激光制造應(yīng)用是激光產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的主要方向，包括去除與連接、表面工程、增材制造、修復(fù)與再制造和微納制造等 5 類，產(chǎn)值規(guī)模占激光應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的30% 以上。激光制造具有易于操作、非接觸、高柔性、高效率、高質(zhì)量和節(jié)能環(huán)保等突出優(yōu)點，是切割、焊接、表面處理、高性能復(fù)雜構(gòu)件制造和精密制造的主流手段，被譽為“萬能加工工具”“未來制造系統(tǒng)共同的加工手段”，引領(lǐng)了先進制造業(yè)的發(fā)展，對工業(yè)智能化進程產(chǎn)生深遠影響。

激光技術(shù)是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的支撐技術(shù)。光纖通信是高速互聯(lián)網(wǎng)不可或缺的物質(zhì)基礎(chǔ)；無線光通信技術(shù)是實現(xiàn)海量信息遠距離快速傳輸?shù)奈ㄒ环绞剑彩蔷扌陀嬎銠C、大型超算中心、第五代移動通信技術(shù)（5G）基站和 5G 數(shù)據(jù)中心等內(nèi)部及相互之間高速海量數(shù)據(jù)傳輸交換的主要方式；光存儲是海量大數(shù)據(jù)信息存儲的主要方式；高清晰激光顯示技術(shù)將引發(fā)“人類視覺史上的一場革命”。此外，激光技術(shù)還是高精度測量傳感、無人駕駛和量子通信的重要基礎(chǔ)。

激光技術(shù)已是醫(yī)療和診斷領(lǐng)域中不可替代的一類技術(shù)手段。光學(xué)相干層析成像（OCT)、光聲成像、多光子顯微成像、拉曼成像是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)診斷的重要技術(shù)。強激光治療、光動力治療及弱激光治療已廣泛應(yīng)用于眼科、外科、內(nèi)科、婦科、耳鼻喉科、心血管科、皮膚科等科室 300 多種疾病的治療，以其精準性、微創(chuàng)或無創(chuàng)性引領(lǐng)醫(yī)學(xué)治療模式的轉(zhuǎn)變。

在國防領(lǐng)域，激光已應(yīng)用于測距、成像、指向、制導(dǎo)、通信及對抗等，改善了武器裝備性能，如提高命中率和可靠性，而且某種意義上也改變了現(xiàn)代戰(zhàn)爭的面貌。近年來，直接利用激光能量殺傷目標的高能激光武器已接近成熟，將逐步進入多種應(yīng)用裝備的研制和列裝階段。受小型無人機應(yīng)用快速拓展的影響，低空防御型激光系統(tǒng)因作為和平時期重要地點、重大活動安防不可或缺的手段而得到快速發(fā)展。

加速發(fā)展激光技術(shù)及應(yīng)用可有力推動和引領(lǐng)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級

激光技術(shù)的廣泛應(yīng)用和持續(xù)拓展，顯示這是一項極其重要的核心關(guān)鍵技術(shù)、基礎(chǔ)性技術(shù)和引領(lǐng)性技術(shù)，有力推動和引領(lǐng)著經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級。

第一，激光技術(shù)是一項重要的工具性技術(shù)，其應(yīng)用可以加速改變相關(guān)行業(yè)面貌，激光在制造行業(yè)、信息通信和醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用及擴展就說明了這一點。

第二，激光技術(shù)是一項極強的滲透性的基礎(chǔ)性技術(shù)。激光產(chǎn)品所支撐的經(jīng)濟規(guī)模遠遠大于本身的經(jīng)濟規(guī)模。2010 年美國科技政策辦公室的一份研究報告指出，2009—2010 年美國的電信、電子商務(wù)及信息技術(shù)總價值為 4 萬億美元，其中激光器自身的價值僅為 32 億美元（半導(dǎo)體和光纖激光器）。換個角度，激光技術(shù)產(chǎn)品在經(jīng)濟體系中的重要性遠超產(chǎn)品本身的價值規(guī)模。

第三，激光技術(shù)孕育孵化新應(yīng)用的能力很強，能夠不斷與其他技術(shù)融合創(chuàng)造新應(yīng)用和新產(chǎn)業(yè)，具有突出的產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)性特征。例如，近 30 年來半導(dǎo)體激光器性能的不斷提升，使得光交換技術(shù)成熟和光纖通信網(wǎng)絡(luò)的容量達到每秒太字節(jié)以上，這是第四代移動通信技術(shù)（4G）和 5G 通信技術(shù)發(fā)展的重要基石。另外，激光顯示技術(shù)的成熟即將催生萬億級的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。


我國激光技術(shù)應(yīng)用前景

在中國，激光技術(shù)的發(fā)展始于20世紀70年代，隨著多年的不斷積淀和創(chuàng)新，中國的激光技術(shù)實現(xiàn)了長足的發(fā)展，并在多個領(lǐng)域達到了國際先進水平，具有廣闊的應(yīng)用前景。


一、激光制造加工領(lǐng)域

激光加工是指利用激光的高能量密度和可控性對材料進行切割、鉆孔、打孔、表面改性等加工過程。相比于傳統(tǒng)的機械加工和化學(xué)加工，激光加工具有加工精度高、速度快、無接觸加工、可以加工各種材料等優(yōu)點。在激光加工方面，中國已經(jīng)形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈和技術(shù)體系，在汽車、電子、航空航天、新能源等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

汽車制造領(lǐng)域：激光技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用主要集中在車身焊接、零件切割、零件表面處理等領(lǐng)域。其中，激光焊接技術(shù)是汽車生產(chǎn)線上重要的焊接方式之一，具有不變形、焊縫美觀、工藝穩(wěn)定等特點，已經(jīng)在大眾、奔馳、寶馬等汽車品牌生產(chǎn)線上得到廣泛應(yīng)用。

電子制造領(lǐng)域：激光技術(shù)在電子制造中的應(yīng)用主要包括零件切割、鉆孔、表面處理等方面。激光切割技術(shù)可以實現(xiàn)對各種材料的切割，如金屬、塑料、陶瓷、半導(dǎo)體等，激光鉆孔技術(shù)可以實現(xiàn)對小孔和深孔的精確加工，同時還可以實現(xiàn)多孔性材料的加工。此外，激光在電子器件表面處理中也具有重要作用，如增強接觸性、提高光學(xué)性能等。

航空航天領(lǐng)域：激光在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在復(fù)合材料的掃描、切割和鉆孔等方面。激光切割技術(shù)可以實現(xiàn)對復(fù)合材料的高品質(zhì)切割，而激光鉆孔技術(shù)可以實現(xiàn)對深孔的精確加工，這對于航空航天領(lǐng)域的高性能和輕量化要求非常重要。

新能源領(lǐng)域：激光在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在太陽能電池片的劃線、電池片的孔加工等方面。激光可以實現(xiàn)高精度、高效率的切割、劃線和加工，為太陽能電池的生產(chǎn)提供了新的技術(shù)支持。


二、激光信息通信領(lǐng)域

光通信是當(dāng)前全球發(fā)展最快的通信系統(tǒng)之一，其中激光光源是光通信系統(tǒng)中的核心技術(shù)之一。在激光信息通信方面，中國已經(jīng)形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈和技術(shù)體系，在光纖器件和激光器件設(shè)計、制造和測試等方面具有強大實力和國際競爭力。

目前，中國已擁有世界上最大的光纖通信網(wǎng)絡(luò)，主導(dǎo)了全球半導(dǎo)體激光器件領(lǐng)域的生產(chǎn)和研究。我國已經(jīng)推出了多種類型的激光器件，如光纖激光器、光固態(tài)激光器、半導(dǎo)體激光器等，并在高速光通信、衛(wèi)星通信、光存儲等領(lǐng)域取得重大突破。


三、激光醫(yī)療診治領(lǐng)域

激光醫(yī)療是一種創(chuàng)新型、無創(chuàng)傷性的醫(yī)療診治技術(shù)，可以實現(xiàn)對不同組織的切割、焊接和蒸發(fā)等操作，具有高精度、無出血、低風(fēng)險等特點。在激光醫(yī)療領(lǐng)域，中國已經(jīng)取得了多項重大科研成果和技術(shù)突破。

激光美容：激光美容是目前國內(nèi)外最受歡迎的美容治療方法之一。激光能夠有效地消除皮膚表面的斑點、雀斑、痣等問題，同時也可以實現(xiàn)皮膚的拉皮、去皺等美容效果。

激光治療：激光治療技術(shù)在癌癥、心血管疾病、眼科疾病等方面也有廣泛應(yīng)用。激光治療可以實現(xiàn)對腫瘤的切除、消融和抑制，同時還可以通過激光干預(yù)心血管系統(tǒng)和眼部組織等來治療一些慢性病。

綜上所述，中國的激光技術(shù)已經(jīng)在制造加工、信息通信、醫(yī)療診治等領(lǐng)域取得了舉世矚目的成就，為國家的工業(yè)發(fā)展和民生服務(wù)做出了重要貢獻。激光技術(shù)的發(fā)展離不開科學(xué)家和工程師們的持續(xù)探索和創(chuàng)新，期待在不遠的將來，中國的激光技術(shù)能夠在更廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用，成為全球激光技術(shù)的領(lǐng)軍之一。