在国家自然科学基金项目（批准号：12427806、52025023、T2188101、12422406、51991342、12374167、52172035）等资助下，北京大学刘开辉教授与合作者在光纤集成光学晶体领域取得进展。研究团队首次提出面向光纤端面集成架构的范德华材料相位匹配理论，在全光纤体系实现了高效的光学倍频产生，并构建了全光纤锁模倍频激光器。2026年1月13日，该项研究成果以“光纤集成非线性相位匹配范德华晶体（Nonlinear phase-matched van der Waals crystals integrated on optical fibres）”为题发表于《自然·材料》（Nature Materials）杂志上，论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02461-x。
超快电子源是超快电子显微系统的核心，直接决定了设备的探测性能。传统超快电子源通常依赖自由空间光路与阴极针尖的精密耦合，易受机械振动等环境扰动影响，难以长期稳定工作。研究团队提出的全光纤集成构型超快电子源显著提升了发射束流的稳定性，并继承了光纤激光优异的模式稳定性，为时空分辨真空电子仪器的集成化与稳定运行提供了全新方案。
全光纤超快电子源的研发离不开全光纤超快变频激光器，但传统光纤材料二阶非线性光学响应极弱，给全光纤频率转换、电光调制等核心功能的实现带来难题。研究团队创新采用光纤端面范德华晶体集成技术，研制出全光纤锁模倍频激光器—通过在光纤端面精确堆垛多层菱方氮化硼（rBN）晶体，利用界面转角调控几何相位，建立了适用于线偏振光激发的多层转角相位匹配机制。这一方法既规避了传统晶体厚度导致的模式失配问题，又突破了传统相位匹配理论在光纤集成中的兼容性限制，在十微米尺度内实现了 4.1% 的高光学倍频转换效率。基于该集成架构的全光纤非线性器件，不仅能保持高非线性转换效率，还能输出高质量高斯基模，且长期稳定性优异。团队进一步利用光纤集成石墨烯/菱方氮化硼异质结复合器件，实现了全光纤激光器锁模脉冲与倍频信号的同步输出。
这项工作为全光纤体系高效实现二阶光学非线性提供了新的设计平台和理论模型，有望推动光纤参量振荡器、高集成非线性光子器件的发展，同时为新一代全光纤集成超快电子源提供技术支持。
图 光纤集成非线性转角相位匹配光学晶体及全光纤倍频锁模激光器
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