在石英片上，厚度仅有1至3微米的转角菱方氮化硼晶体薄如蝉翼，能效却比传统光学晶体提升了100倍至1万倍。在4月25日举行的2024中关村论坛年会开幕式重大成果发布环节，这款世界上已知最薄的光学晶体被列为十大科技成果之一。

激光技术自被科学家发明以来，已经走过了60余年的发展历程。“激光技术是我们当下科技文明的基石，在微纳加工、量子光源、生物监测等领域，激光技术都在大放光彩。”北京大学物理学院教授刘开辉表示，激光技术的突破，高度依赖于一种特殊材料——光学晶体。激光频率转换、脉冲压缩、信息处理等功能的实现，都离不开光学晶体，“可以说，光学晶体是激光技术的‘心脏’。”

如果仔细“解剖”一台激光器，能量从输入仪器到输出所需的激光，共需要经历3个环节。电能进入仪器激发产生的种子光源，分别通过特定激光晶体、光学晶体，在谐振腔内“折返跑”形成共振，最终产出各类不同功能的激光。激光器的小型化、集成化、功能化是未来激光技术发展的核心方向之一，但传统的光学晶体很难在有限厚度内高效产出激光。瞄准制备更轻薄的光学晶体这一目标，中国科学院院士王恩哥与刘开辉一起，带领团队展开了长达10余年的攻关。

他们的原材料就比别人更轻，硼、碳、氮等轻元素的相对分子质量较小，经过反复组合尝试，轻巧的氮化硼成了最优选。用其制备出的菱方氮化硼材料单层厚度为0.34纳米，仅相当于常人头发丝直径的十万分之一，部分性能却能与传统厘米级的光学晶体材料相媲美。

不过，单层的氮化硼分子无法被作为光学晶体用于激光器制造。“我们要让它长大，并沿着特定方向变厚。”刘开辉说。然而实验发现，如果只是简单把一层层的氮化硼分子像叠积木一样堆叠起来，激光穿过时会“步调不一致”，即出现相位失配现象，导致激光无法成功、高效输出。

在传统的晶体研究体系中，这一现象的出现，几乎等于宣告了这种材料的失败，只能更换新材料重新研发。但研发团队没有就此放弃，通过复杂的理论推导，他们发现了一种新的晶体设计方法——当把每块菱方氮化硼材料像拧魔方一样转动特定的角度，堆叠形成的光学晶体就能减少激光穿过的能量“内耗”，高效产出所需的激光。

“我们把这个规律总结为二维材料的界面转角理论。这是自激光技术发明以来，光学晶体理论的又一个重大原创突破。”刘开辉感慨，全新的晶体设计理论与制备方法相结合，让光学晶体成功“瘦身”，传统光学晶体厚度在毫米级到厘米级，而转角氮化硼光学晶体的厚度只有1至3微米。该理论的应用，有望在未来让激光器的尺寸缩小到毫米甚至微米级。很多曾经被认为无法制造光学晶体的材料，也可能在材料堆叠角度的转动中再次焕发生机。

在怀柔科学城，北京大学与北京市共建的轻元素量子材料交叉平台为光学晶体提供了更大的生长空间。“实验室做出的晶体直径最多只有五六厘米，要实现激光技术的产业化，就得做出更大尺寸的晶体。”刘开辉说，目前，交叉平台正在进行生产装备调试，预计未来，直径数十厘米的光学晶体将在这里蓬勃生长。


核心创新：纳米尺度上的超快激光

研究人员成功开发了集成在光子芯片上的超快模式锁定激光器(Ultrafast Mode-Locked Lasers)，这一壮举显著小型化和增强了传统激光系统的能力，发表在《科学》期刊上。

传统上，以产生飞秒到皮秒的极短光脉冲而闻名的超快模式锁定激光器既笨重又昂贵。然而，最近由纽约市立大学（CUNY）高级科学研究中心的Qushi Guo和加州理工学院的Alireza Marandi等团队领导的研究在创建这些激光器规模小型化方面取得了长足进步。利用纳米光子芯片和薄膜铌酸锂等材料，他们设法生产了能够产生短至4.8皮秒(10的12次方分之一秒)脉冲的激光，目标是达到50飞秒(10的15次方分之一秒)。

这种小型化不仅仅是一个尺寸大小的问题。将这些激光集成到纳米光子芯片中开辟了大量机会，使超高速光子学的巨大潜力更加可能得以释放，并且可以实现多功能。特别是使用铌酸锂，这种材料以其独特的光学和电光学特性而闻名，可以精确控制激光脉冲，这是要求高精度的应用中的关键因素。

这些紧凑、超快激光器的潜在应用广泛而多样。在电信领域中，它们可以显著提高光网络中的数据传输速率，为更快、更高效的通信提供途径。在计算领域，它们为光计算提供了一条有前途的途径，因为使用光而不是电，可能会导致更快的处理速度和更高的效率。

最关键的应用之一在于生物和医学成像领域。这些激光的高峰值强度和低平均功率使其成为多光子显微镜等敏感成像应用的理想选择，可以在不损坏生物样品的情况下进行深层组织成像。这项技术可能会彻底改变医疗诊断和非侵入性手术技术。

在科学研究中，特别是在化学和物理学中，这些激光为研究分子和原子层面的快速化学反应和物理现象提供了独特的工具。观察材料内部分子键或电子动力学的形成和断裂等过程可以帮助基础科学的重大突破。

此外，这些激光器提供的精度和控制使它们适合材料加工，如半导体制造或微加工，其中精度至关重要。频率计量和精密传感、环境监测，甚至消费电子产品都是这项创新可能产生重大影响的其他领域。


激光技术在塑造现代制造、信息、医疗和国防等产业中发挥着不可或缺的作用

激光制造应用是激光产业应用的主要方向，包括去除与连接、表面工程、增材制造、修复与再制造和微纳制造等 5 类，产值规模占激光应用产业的30% 以上。激光制造具有易于操作、非接触、高柔性、高效率、高质量和节能环保等突出优点，是切割、焊接、表面处理、高性能复杂构件制造和精密制造的主流手段，被誉为“万能加工工具”“未来制造系统共同的加工手段”，引领了先进制造业的发展，对工业智能化进程产生深远影响。

激光技术是现代信息产业的支撑技术。光纤通信是高速互联网不可或缺的物质基础；无线光通信技术是实现海量信息远距离快速传输的唯一方式，也是巨型计算机、大型超算中心、第五代移动通信技术（5G）基站和 5G 数据中心等内部及相互之间高速海量数据传输交换的主要方式；光存储是海量大数据信息存储的主要方式；高清晰激光显示技术将引发“人类视觉史上的一场革命”。此外，激光技术还是高精度测量传感、无人驾驶和量子通信的重要基础。

激光技术已是医疗和诊断领域中不可替代的一类技术手段。光学相干层析成像（OCT)、光声成像、多光子显微成像、拉曼成像是现代医学诊断的重要技术。强激光治疗、光动力治疗及弱激光治疗已广泛应用于眼科、外科、内科、妇科、耳鼻喉科、心血管科、皮肤科等科室 300 多种疾病的治疗，以其精准性、微创或无创性引领医学治疗模式的转变。

在国防领域，激光已应用于测距、成像、指向、制导、通信及对抗等，改善了武器装备性能，如提高命中率和可靠性，而且某种意义上也改变了现代战争的面貌。近年来，直接利用激光能量杀伤目标的高能激光武器已接近成熟，将逐步进入多种应用装备的研制和列装阶段。受小型无人机应用快速拓展的影响，低空防御型激光系统因作为和平时期重要地点、重大活动安防不可或缺的手段而得到快速发展。

加速发展激光技术及应用可有力推动和引领经济产业转型升级

激光技术的广泛应用和持续拓展，显示这是一项极其重要的核心关键技术、基础性技术和引领性技术，有力推动和引领着经济产业发展和转型升级。

第一，激光技术是一项重要的工具性技术，其应用可以加速改变相关行业面貌，激光在制造行业、信息通信和医疗行业的应用及扩展就说明了这一点。

第二，激光技术是一项极强的渗透性的基础性技术。激光产品所支撑的经济规模远远大于本身的经济规模。2010 年美国科技政策办公室的一份研究报告指出，2009—2010 年美国的电信、电子商务及信息技术总价值为 4 万亿美元，其中激光器自身的价值仅为 32 亿美元（半导体和光纤激光器）。换个角度，激光技术产品在经济体系中的重要性远超产品本身的价值规模。

第三，激光技术孕育孵化新应用的能力很强，能够不断与其他技术融合创造新应用和新产业，具有突出的产业引领性特征。例如，近 30 年来半导体激光器性能的不断提升，使得光交换技术成熟和光纤通信网络的容量达到每秒太字节以上，这是第四代移动通信技术（4G）和 5G 通信技术发展的重要基石。另外，激光显示技术的成熟即将催生万亿级的产业规模。


我国激光技术应用前景

在中国，激光技术的发展始于20世纪70年代，随着多年的不断积淀和创新，中国的激光技术实现了长足的发展，并在多个领域达到了国际先进水平，具有广阔的应用前景。


一、激光制造加工领域

激光加工是指利用激光的高能量密度和可控性对材料进行切割、钻孔、打孔、表面改性等加工过程。相比于传统的机械加工和化学加工，激光加工具有加工精度高、速度快、无接触加工、可以加工各种材料等优点。在激光加工方面，中国已经形成了完整的产业链和技术体系，在汽车、电子、航空航天、新能源等行业得到广泛应用。

汽车制造领域：激光技术在汽车制造中的应用主要集中在车身焊接、零件切割、零件表面处理等领域。其中，激光焊接技术是汽车生产线上重要的焊接方式之一，具有不变形、焊缝美观、工艺稳定等特点，已经在大众、奔驰、宝马等汽车品牌生产线上得到广泛应用。

电子制造领域：激光技术在电子制造中的应用主要包括零件切割、钻孔、表面处理等方面。激光切割技术可以实现对各种材料的切割，如金属、塑料、陶瓷、半导体等，激光钻孔技术可以实现对小孔和深孔的精确加工，同时还可以实现多孔性材料的加工。此外，激光在电子器件表面处理中也具有重要作用，如增强接触性、提高光学性能等。

航空航天领域：激光在航空航天领域的应用主要集中在复合材料的扫描、切割和钻孔等方面。激光切割技术可以实现对复合材料的高品质切割，而激光钻孔技术可以实现对深孔的精确加工，这对于航空航天领域的高性能和轻量化要求非常重要。

新能源领域：激光在新能源领域的应用主要体现在太阳能电池片的划线、电池片的孔加工等方面。激光可以实现高精度、高效率的切割、划线和加工，为太阳能电池的生产提供了新的技术支持。


二、激光信息通信领域

光通信是当前全球发展最快的通信系统之一，其中激光光源是光通信系统中的核心技术之一。在激光信息通信方面，中国已经形成了完整的产业链和技术体系，在光纤器件和激光器件设计、制造和测试等方面具有强大实力和国际竞争力。

目前，中国已拥有世界上最大的光纤通信网络，主导了全球半导体激光器件领域的生产和研究。我国已经推出了多种类型的激光器件，如光纤激光器、光固态激光器、半导体激光器等，并在高速光通信、卫星通信、光存储等领域取得重大突破。


三、激光医疗诊治领域

激光医疗是一种创新型、无创伤性的医疗诊治技术，可以实现对不同组织的切割、焊接和蒸发等操作，具有高精度、无出血、低风险等特点。在激光医疗领域，中国已经取得了多项重大科研成果和技术突破。

激光美容：激光美容是目前国内外最受欢迎的美容治疗方法之一。激光能够有效地消除皮肤表面的斑点、雀斑、痣等问题，同时也可以实现皮肤的拉皮、去皱等美容效果。

激光治疗：激光治疗技术在癌症、心血管疾病、眼科疾病等方面也有广泛应用。激光治疗可以实现对肿瘤的切除、消融和抑制，同时还可以通过激光干预心血管系统和眼部组织等来治疗一些慢性病。

综上所述，中国的激光技术已经在制造加工、信息通信、医疗诊治等领域取得了举世瞩目的成就，为国家的工业发展和民生服务做出了重要贡献。激光技术的发展离不开科学家和工程师们的持续探索和创新，期待在不远的将来，中国的激光技术能够在更广泛的领域得到应用，成为全球激光技术的领军之一。