Chinesische Wissenschaftler entwickeln ultradünne, energieeffiziente optische Kristalle

Optische Kristalle können Frequenzumwandlung, parametrische Verstärkung, Signalmodulation und andere Funktionen realisieren und sind das „Herz“ der Lasertechnologie. Nach Jahren der Forschung hat das Team der Peking-Universität auf kreative Weise eine neue optische Kristalltheorie vorgelegt und erstmals das Lichtelementmaterial Bornitrid angewendet, um...
Optische Kristalle können Frequenzumwandlung, parametrische Verstärkung, Signalmodulation und andere Funktionen realisieren und sind das „Herz“ der Lasertechnologie. Nach Jahren der Forschung hat das Team der Universität Peking auf kreative Weise eine neue optische Kristalltheorie aufgestellt und das Lichtelementmaterial Bornitrid angewendet, um einen ultradünnen, hocheffizienten optischen Kristall „Eckrhombic Bornitrid“ (kurz TBN) herzustellen zum ersten Mal, das die theoretischen und materiellen Grundlagen für eine neue Generation der Lasertechnologie legt. Die Ergebnisse wurden in Physical Review Letters, einer führenden Fachzeitschrift für Physik, veröffentlicht.
Wang Engo, Akademiker der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Professor an der Fakultät für Physik der Universität Peking, sagte in einem Exklusivinterview mit der Nachrichtenagentur Xinhua, dass diese Errungenschaft nicht nur ein origineller Durchbruch in Chinas Theorie optischer Kristalle sei, der ein neues Feld eröffne nicht nur die Herstellung optischer Kristalle durch die Verwendung von zweidimensionalen Dünnschichtmaterialien mit leichten Elementen, sondern auch die Herstellung von TBN mit einer Dicke von nur Mikrometern, dem weltweit dünnsten bisher bekannten optischen Kristall, und dessen Energieeffizienz 100 zu 10 beträgt.{{ 4}} Millionen Mal höher im Vergleich zu einem herkömmlichen Kristall mit der gleichen Dicke. Seine Energieeffizienz ist 100- bis 10-{7}-mal höher als die herkömmlicher Kristalle gleicher Dicke.
Phase ist eine Metrik, die die Änderung der Wellenform einer Lichtwelle beschreibt. Wenn die Lichtwellen in einem Kristall phasengleich und im Gleichtakt sind, kann ein Laser mit idealer Effizienz und Leistung erzeugt werden. In den letzten Jahren war es aufgrund der Einschränkungen traditioneller theoretischer Modelle und Materialsysteme für bestehende Kristalle schwierig, den Entwicklungsanforderungen der Miniaturisierung, hohen Integration und Funktionalisierung von Lasern gerecht zu werden.
Zu diesem Zweck sagte Professor Liu Kaihui, Direktor des Instituts für Physik der kondensierten Materie und Materialphysik an der Fakultät für Physik der Universität Peking und stellvertretender Direktor der Light Element Quantum Materials Cross-Platform am Huairou Comprehensive National Science Center in Peking, leitete zusammen mit Wang Engo ein Forscherteam, das eine neue „Corner-Phase-Matching-Theorie“ vorschlug. Das Team fand heraus, dass durch das Stapeln von Bornitrid-Materialien wie „Bausteine“ und das anschließende „Rotieren“ in einem speziellen Winkel die Phasen verschiedener Lichtwellen konvergiert werden können, um einen hocheffizienten optischen Kristall, TBN, zu bilden.
„Wenn der im Kristall erzeugte Laser als Team betrachtet wird, kann die Verwendung der ‚Cornering‘-Methode dazu führen, dass alle Mitglieder in Richtung und Tempo hochkoordiniert werden, wodurch die Energieumwandlungseffizienz des Lasers verbessert werden kann.“ Liu Kaihui sagte, das TBN sei nur 1 bis 10 Mikrometer dick, was einem Dreißigstel der Dicke eines gewöhnlichen A4-Papiers entspreche, während die Dicke aktueller optischer Kristalle meist in der Größenordnung von Millimetern oder sogar Zentimetern liege.
„Optische Kristalle sind der Grundstein für die Entwicklung der Lasertechnologie.“ Mit seiner ultradünnen Größe, hervorragenden Integrierbarkeit und brandneuen Funktionen werde TBN voraussichtlich in Zukunft neue Anwendungsdurchbrüche in Bereichen wie Quantenlichtquellen, photonischen Chips und künstlicher Intelligenz erzielen, sagte Wang Engo.