Eine Gruppe chinesischer Forscher hat mithilfe einer neuartigen Theorie einen neuen energieeffizienten, ultradünnen optischen Kristall erfunden, der den Grundstein für die Lasertechnologie der nächsten Generation legt.
Das vom Team entwickelte verdrillte Bornitrid habe eine Dicke von Mikrometern und sei damit der dünnste bekannte optische Kristall der Welt, sagte Professor Wang Enge von der Fakultät für Physik der Peking-Universität kürzlich gegenüber Xinhua. Im Vergleich zu herkömmlichen Kristallen gleicher Dicke hat sich die Energieeffizienz um das 100- bis 10-fache erhöht.
Wang, ein Akademiker an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, sagte, die Ergebnisse seien eine originelle Innovation in Chinas Theorie optischer Kristalle und eröffneten ein neues Feld der Herstellung optischer Kristalle aus zweidimensionalen Dünnschichtmaterialien mit Lichtelementen.
Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.
Laser ist eine der grundlegenden Technologien der Informationsgesellschaft. Optische Kristalle können Funktionen wie Frequenzumwandlung, parametrische Verstärkung und Signalmodulation realisieren und sind Schlüsselkomponenten von Lasergeräten.
In den letzten 60 Jahren wurden Forschung und Entwicklung optischer Kristalle hauptsächlich von zwei Phasenanpassungstheorien amerikanischer Wissenschaftler geleitet.
Aufgrund der Einschränkungen traditioneller theoretischer Modelle und Materialsysteme ist es jedoch schwierig, mit den vorhandenen Kristallen die Anforderungen der Miniaturisierung, hohen Integration und Funktionalisierung von Lasergeräten für die zukünftige Entwicklung zu erfüllen. Die Entwicklung der Lasertechnologie der nächsten Generation erfordert Durchbrüche in der Theorie und den Materialien optischer Kristalle.
Wang Engo und Prof. Liu Kaihui, Direktor des Instituts für kondensierte Materie und Materialphysik an der Fakultät für Physik der Universität Peking, leiteten ein Team zur Entwicklung einer dritten Phasenanpassungstheorie basierend auf Materialsystemen aus leichten Elementen – der Twisted-Phase-Matching-Theorie.
„Die von optischen Kristallen erzeugten Laser können als einzelne Marschsäulen betrachtet werden. Der Drehmechanismus kann die Richtung und das Tempo jedes Einzelnen hochkoordinieren, was die Energieumwandlungseffizienz des Lasers erheblich verbessert“, erklärt Liu, der auch stellvertretender Direktor ist vom Institute of Light Element Quantum Materials Intersection am Huairou National Integrated Science Center in Peking.
Er sagte, die Forschung eröffne völlig neue Designmodi und Materialsysteme und verwirkliche eine ganze Reihe origineller Innovationen von der grundlegenden optischen Theorie bis hin zu Materialwissenschaft und -technologie.
„Die Dicke von TBN-Kristallen liegt zwischen 1 und 10 Mikrometern. Die meisten optischen Kristalle, die wir zuvor kannten, hatten Dicken im Bereich von einem Millimeter oder sogar Zentimetern“, fügte Liu hinzu.
Die TBN-Produktionstechnologie wird derzeit in den USA, Großbritannien, Japan und anderen Ländern patentiert. Das Team hat Prototypen von TBN-Lasern hergestellt und arbeitet mit Unternehmen an der Entwicklung der Lasertechnologie der nächsten Generation.
„Optische Kristalle sind der Eckpfeiler der Lasertechnologieentwicklung, und die Zukunft der Lasertechnologie wird durch die Designtheorie und Produktionstechnologie optischer Kristalle bestimmt“, sagte Wang.
Aufgrund ihrer ultradünnen Größe, ihres hervorragenden Integrationspotenzials und ihrer neuen Funktionen wird erwartet, dass TBN-Kristalle in Zukunft neue Anwendungsdurchbrüche in Bereichen wie Quantenlichtquellen, photonischen Chips und künstlicher Intelligenz ermöglichen werden.
