我國學者研發光纖集成非線性相位匹配光學晶體

　　在國家自然科學基金項目（批準號：12427806、52025023、T2188101、12422406、51991342、12374167、52172035）等資助下，北京大學劉開輝教授與合作者在光纖集成光學晶體領域取得進展。研究團隊首次提出面向光纖端面集成架構的范德華材料相位匹配理論，在全光纖體系實現了高效的光學倍頻產生，并構建了全光纖鎖模倍頻激光器。2026年1月13日，該項研究成果以“光纖集成非線性相位匹配范德華晶體（Nonlinear phase-matched van der Waals crystals integrated on optical fibres）”為題發表于《自然·材料》（Nature Materials）雜志上，論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02461-x。

　　超快電子源是超快電子顯微系統的核心，直接決定了設備的探測性能。傳統超快電子源通常依賴自由空間光路與陰極針尖的精密耦合，易受機械振動等環境擾動影響，難以長期穩定工作。研究團隊提出的全光纖集成構型超快電子源顯著提升了發射束流的穩定性，并繼承了光纖激光優異的模式穩定性，為時空分辨真空電子儀器的集成化與穩定運行提供了全新方案。

　　全光纖超快電子源的研發離不開全光纖超快變頻激光器，但傳統光纖材料二階非線性光學響應極弱，給全光纖頻率轉換、電光調制等核心功能的實現帶來難題。研究團隊創新采用光纖端面范德華晶體集成技術，研制出全光纖鎖模倍頻激光器---通過在光纖端面精確堆垛多層菱方氮化硼（rBN）晶體，利用界面轉角調控幾何相位，建立了適用于線偏振光激發的多層轉角相位匹配機制。這一方法既規避了傳統晶體厚度導致的模式失配問題，又突破了傳統相位匹配理論在光纖集成中的兼容性限制，在十微米尺度內實現了 4.1% 的高光學倍頻轉換效率。基于該集成架構的全光纖非線性器件，不僅能保持高非線性轉換效率，還能輸出高質量高斯基模，且長期穩定性優異。團隊進一步利用光纖集成石墨烯/菱方氮化硼異質結復合器件，實現了全光纖激光器鎖模脈沖與倍頻信號的同步輸出。

　　這項工作為全光纖體系高效實現二階光學非線性提供了新的設計平臺和理論模型，有望推動光纖參量振蕩器、高集成非線性光子器件的發展，同時為新一代全光纖集成超快電子源提供技術支持。