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(wàn)倍。在4月25日舉行的2024中關(guān)村論壇年會(huì)開(kāi)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(lái)，已經(jīng)走過(guò)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(cè)等領(lǐng)域，激光技術(shù)都在大放光彩?！北本┐髮W(xué)物理學(xué)院教授劉開(kāi)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(shí)現(xiàn)，都離不開(kāi)光學(xué)晶體，“可以說(shuō)，光學(xué)晶體是激光技術(shù)的‘心臟’?！?/span>

如果仔細(xì)“解剖”一臺(tái)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(gè)環(huán)節(jié)。電能進(jìn)入儀器激發(fā)產(chǎn)生的種子光源，分別通過(guò)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(lái)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(zhǔn)制備更輕薄的光學(xué)晶體這一目標(biāo)，中國(guó)科學(xué)院院士王恩哥與劉開(kāi)輝一起，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)展開(kāi)了長(zhǎng)達(dá)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(duì)分子質(zhì)量較小，經(jīng)過(guò)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(wàn)分之一，部分性能卻能與傳統(tǒng)厘米級(jí)的光學(xué)晶體材料相媲美。

不過(guò)，單層的氮化硼分子無(wú)法被作為光學(xué)晶體用于激光器制造?！拔覀円屗L(zhǎng)大，并沿著特定方向變厚?！眲㈤_(kāi)輝說(shuō)。然而實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果只是簡(jiǎn)單把一層層的氮化硼分子像疊積木一樣堆疊起來(lái)，激光穿過(guò)時(shí)會(huì)“步調(diào)不一致”，即出現(xiàn)相位失配現(xiàn)象，導(dǎo)致激光無(wú)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(tuán)隊(duì)沒(méi)有就此放棄，通過(guò)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(jì)方法——當(dāng)把每塊菱方氮化硼材料像擰魔方一樣轉(zhuǎn)動(dòng)特定的角度，堆疊形成的光學(xué)晶體就能減少激光穿過(guò)的能量“內(nèi)耗”，高效產(chǎn)出所需的激光。

“我們把這個(gè)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(lái)，光學(xué)晶體理論的又一個(gè)重大原創(chuàng)突破?！眲㈤_(kāi)輝感慨，全新的晶體設(shè)計(jì)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(jí)到厘米級(jí)，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(lái)讓激光器的尺寸縮小到毫米甚至微米級(jí)。很多曾經(jīng)被認(rèn)為無(wú)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(dòng)中再次煥發(fā)生機(jī)。

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(tái)為光學(xué)晶體提供了更大的生長(zhǎng)空間?！皩?shí)驗(yàn)室做出的晶體直徑最多只有五六厘米，要實(shí)現(xiàn)激光技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，就得做出更大尺寸的晶體?！眲㈤_(kāi)輝說(shuō)，目前，交叉平臺(tái)正在進(jìn)行生產(chǎn)裝備調(diào)試，預(yù)計(jì)未來(lái)，直徑數(shù)十厘米的光學(xué)晶體將在這里蓬勃生長(zhǎng)。


核心創(chuàng)新：納米尺度上的超快激光

研究人員成功開(kāi)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(qiáng)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(jí)科學(xué)研究中心的Qushi Guo和加州理工學(xué)院的Alireza Marandi等團(tuán)隊(duì)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(zhǎng)足進(jìn)步。利用納米光子芯片和薄膜鈮酸鋰等材料，他們?cè)O(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(biāo)是達(dá)到50飛秒(10的15次方分之一秒)。

這種小型化不僅僅是一個(gè)尺寸大小的問(wèn)題。將這些激光集成到納米光子芯片中開(kāi)辟了大量機(jī)會(huì)，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(shí)現(xiàn)多功能。特別是使用鈮酸鋰，這種材料以其獨(dú)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(jì)算領(lǐng)域，它們?yōu)楣庥?jì)算提供了一條有前途的途徑，因?yàn)槭褂霉舛皇请姡赡軙?huì)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(qiáng)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(jìn)行深層組織成像。這項(xiàng)技術(shù)可能會(huì)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(dú)特的工具。觀察材料內(nèi)部分子鍵或電子動(dòng)力學(xué)的形成和斷裂等過(guò)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(jì)量和精密傳感、環(huán)境監(jiān)測(cè)，甚至消費(fèi)電子產(chǎn)品都是這項(xiàng)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(guó)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(diǎn)，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(yù)為“萬(wàn)能加工工具”“未來(lái)制造系統(tǒng)共同的加工手段”，引領(lǐng)了先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展，對(duì)工業(yè)智能化進(jìn)程產(chǎn)生深遠(yuǎn)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(wú)線光通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)海量信息遠(yuǎn)距離快速傳輸?shù)奈ㄒ环绞?，也是巨型?jì)算機(jī)、大型超算中心、第五代移動(dòng)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(chǔ)是海量大數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)的主要方式；高清晰激光顯示技術(shù)將引發(fā)“人類視覺(jué)史上的一場(chǎng)革命”。此外，激光技術(shù)還是高精度測(cè)量傳感、無(wú)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(qiáng)激光治療、光動(dòng)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(zhǔn)性、微創(chuàng)或無(wú)創(chuàng)性引領(lǐng)醫(yī)學(xué)治療模式的轉(zhuǎn)變。

在國(guó)防領(lǐng)域，激光已應(yīng)用于測(cè)距、成像、指向、制導(dǎo)、通信及對(duì)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(zhēng)的面貌。近年來(lái)，直接利用激光能量殺傷目標(biāo)的高能激光武器已接近成熟，將逐步進(jìn)入多種應(yīng)用裝備的研制和列裝階段。受小型無(wú)人機(jī)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(shí)期重要地點(diǎn)、重大活動(dòng)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(dòng)和引領(lǐng)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)

激光技術(shù)的廣泛應(yīng)用和持續(xù)拓展，顯示這是一項(xiàng)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(dòng)和引領(lǐng)著經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級(jí)。

第一，激光技術(shù)是一項(xiàng)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(kuò)展就說(shuō)明了這一點(diǎn)。

第二，激光技術(shù)是一項(xiàng)極強(qiáng)的滲透性的基礎(chǔ)性技術(shù)。激光產(chǎn)品所支撐的經(jīng)濟(jì)規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于本身的經(jīng)濟(jì)規(guī)模。2010 年美國(guó)科技政策辦公室的一份研究報(bào)告指出，2009—2010 年美國(guó)的電信、電子商務(wù)及信息技術(shù)總價(jià)值為 4 萬(wàn)億美元，其中激光器自身的價(jià)值僅為 32 億美元（半導(dǎo)體和光纖激光器）。換個(gè)角度，激光技術(shù)產(chǎn)品在經(jīng)濟(jì)體系中的重要性遠(yuǎn)超產(chǎn)品本身的價(jià)值規(guī)模。

第三，激光技術(shù)孕育孵化新應(yīng)用的能力很強(qiáng)，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(lái)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(dá)到每秒太字節(jié)以上，這是第四代移動(dòng)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(wàn)億級(jí)的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。


我國(guó)激光技術(shù)應(yīng)用前景

在中國(guó)，激光技術(shù)的發(fā)展始于20世紀(jì)70年代，隨著多年的不斷積淀和創(chuàng)新，中國(guó)的激光技術(shù)實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)足的發(fā)展，并在多個(gè)領(lǐng)域達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)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(duì)材料進(jìn)行切割、鉆孔、打孔、表面改性等加工過(guò)程。相比于傳統(tǒng)的機(jī)械加工和化學(xué)加工，激光加工具有加工精度高、速度快、無(wú)接觸加工、可以加工各種材料等優(yōu)點(diǎn)。在激光加工方面，中國(guó)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(diǎn)，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(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)小孔和深孔的精確加工，同時(shí)還可以實(shí)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料的高品質(zhì)切割，而激光鉆孔技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)深孔的精確加工，這對(duì)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(yáng)能電池片的劃線、電池片的孔加工等方面。激光可以實(shí)現(xiàn)高精度、高效率的切割、劃線和加工，為太陽(yáng)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(guó)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(jì)、制造和測(cè)試等方面具有強(qiáng)大實(shí)力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

目前，中國(guó)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(guó)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(chǔ)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(wú)創(chuàng)傷性的醫(yī)療診治技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同組織的切割、焊接和蒸發(fā)等操作，具有高精度、無(wú)出血、低風(fēng)險(xiǎn)等特點(diǎn)。在激光醫(yī)療領(lǐng)域，中國(guó)已經(jīng)取得了多項(xiàng)重大科研成果和技術(shù)突破。

激光美容：激光美容是目前國(guó)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(diǎn)、雀斑、痣等問(wèn)題，同時(shí)也可以實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤的切除、消融和抑制，同時(shí)還可以通過(guò)激光干預(yù)心血管系統(tǒng)和眼部組織等來(lái)治療一些慢性病。

綜上所述，中國(guó)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(guó)家的工業(yè)發(fā)展和民生服務(wù)做出了重要貢獻(xiàn)。激光技術(shù)的發(fā)展離不開(kāi)科學(xué)家和工程師們的持續(xù)探索和創(chuàng)新，期待在不遠(yuǎn)的將來(lái)，中國(guó)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。