未知晶體︰為什麽如此離奇的晶體會改變激光設計？

激光的應用可能受益於由美國國家標準技術協會 (NIST) 和中國的山東大學的科學家們的晶體研究。他們發現了一種潛在的方法，用來規避長期存在的作為激光技術中關鍵部分的晶體製造的困難。但他們的這個發現也讓背後的科學專家們苦思冥想了一番。

今天發表在《科學進展》雜誌上的這個研究發現，相對較大的晶體用於更改激光器中幾個光特性，這對於使激光器成為實用的工具是至關重要的變化，可由生長起來更容易、更便宜的更小的杆形微晶進行堆疊製作出來。

到目前為止，團隊研究出來的微晶體在某些特性方麵要優於常規晶體，表明可利用他們這一研究成果，是實現快速、經濟開發大的晶體長期探索告一段落的一個信號，沒有這種方法製造大晶體則會極為昂貴。但微晶也挑戰傳統的科學理論，為什麽他們表現如此特性。

你在激光的光中看到的顏色往往是不同於它最初生成的樣子。很多激光創建紅外光，然後通過一個晶體傳遞它的能量，由此將其波長轉換為可見的顏色，如綠色或藍色。

通常，那種晶體是由焦磷酸鉀 (KDP)製作，這是一種常見的材料，由於其具有的特性使得它非常寶貴：不僅焦磷酸鉀晶體可以改變光的顏色，它也可以充當一個開關，改變光的偏振（其中其電場振動的方向）或防止它在激光發射之前穿過晶體。激光通過光纖線纜攜帶的數據取決於光的偏振，許多應用程序依賴於激光脈衝的定時。

小型焦磷酸鉀晶體的製作是很容易的，和那些使用在口袋中的激光指針和電信係統相似。但對於更高能量的應用場景，科學家幾十年來一直在尋找能使大型、高質量的晶體可以生存反複的暴露於強激光脈衝中，但一直難以找到合適的解決方案。

研究團隊由焦磷酸鉀晶體生長的溶液中發現了有用的結果。這些晶體采取的形式是六角形的空心管和幾個微米寬的長杆結構。在相同條件下，單獨的這些焦磷酸鉀微晶體的能量轉換效率超越甚至最好的焦磷酸鉀晶體，這就導致了直接的晶體生長用於通信的可能性。

研究小組還建議晶體棒能堆積得像木柴那樣，建設一塊較大的幾十億的微小的細絲。他們都堆積在一起之前他們可以塗一層薄薄的導電材料，進行導熱，使他們能夠處理的高強度激光光重複的脈衝，這可能擴大其應用範圍，如果可以找到一種恰當的方式進行堆疊。

神秘的是，為什麽微晶的表現特性是如此。基本物理定律是無法解釋的。

常規物理模型表明，如果用於進行能量的轉換，這些微晶似乎打破這條規則，像晶體，光學介質不必圍繞其中心對稱。

美國國家標準和技術協會的物理學家鄧璐說，"我們接觸過大量的來自世界各地不同領域的專家，他們都不能解釋這種現象，目前沒有理論可以解釋這個奇特的晶體的初始生長機理。從我們目前的理解來看，這將是結晶學到凝聚態物理學領域研究的一個挑戰。"

雖然理論正在趕實驗數據，鄧說他們的團隊正專注於可堆疊微晶棒生長的工程挑戰。

"我們可以實現每十分鍾生長超過 1,000 個微組織在單一的玻璃片上，所以大麵積的生長不是一個問題，"他說。"我們需要弄清楚是如何進行種植出具有近乎均勻截麵的大結構，因為對於最後的組裝它將是重要的"。

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