中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室（籌）先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)室陳小龍研究組（A02組，功能晶體研究與應(yīng)用中心）博士生王順沖、王剛副研究員等與光學(xué)物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室魏志義研究組（L07組）博士生詹敏杰等人合作，發(fā)現(xiàn)半絕緣4H碳化硅晶體在2.5-5.6 μm中紅外波段具有高的透過率，重新測(cè)量了4H碳化硅晶體在中紅外波段的折射率，糾正了前人的錯(cuò)誤報(bào)道，在新測(cè)折射率的基礎(chǔ)上確定了4H碳化硅的相位匹配條件。他們首次采用4H碳化硅晶體，通過對(duì)飛秒超連續(xù)光譜的差頻，獲得了波長覆蓋3.9-5.6 μm的寬譜中紅外激光輸出，圖1為實(shí)驗(yàn)光路示意圖，圖2為產(chǎn)生的中紅外光譜。在430 mW的泵浦光下，獲得了平均功率為0.2 mW、最強(qiáng)輸出波長為5.45 μm的中紅外超短脈沖激光。他們還利用整形后的泵浦光，通過調(diào)整晶體的相位匹配角（76-89°），實(shí)現(xiàn)了在3.92-4.28 μm以及4.87-5.25 μm波長范圍內(nèi)的可調(diào)諧中紅外激光輸出。由于4H碳化硅可以獲得高質(zhì)量的大尺寸晶體，并具有高的損傷閾值和較大的二階非線性光學(xué)系數(shù)，因此有望進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)大功率的中紅外激光輸出。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在近期出版的Laser & Photonics Reviews雜志上。

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圖1：差頻實(shí)驗(yàn)光路示意圖。

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圖2：差頻后獲得的中紅外激光光譜，左上為用于差頻實(shí)驗(yàn)的4H碳化硅晶體。

上述工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部和中國科學(xué)院的支持。

中紅外波段激光在分子光譜、氣體探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)學(xué)、激光通訊、紅外遙感及光電對(duì)抗等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用，非線性光學(xué)頻率變換是目前獲得中紅外激光的有效途徑。常用的中紅外非線性光學(xué)晶體（硫化物及硒化物等）受到低激光損傷閾值（<0.1 GW/cm2）的限制，不能夠滿足當(dāng)今對(duì)大功率中紅外激光的迫切需求。尋找具有高激光損傷閾值的新型中紅外非線性光學(xué)材料是當(dāng)前中紅外激光研究領(lǐng)域的前沿和熱點(diǎn)。

碳化硅是一種重要的寬禁帶半導(dǎo)體材料，由于其具有高的熱導(dǎo)率、大的飽和電子漂移速率及高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用于制備高溫、高頻及大功率電子器件。4H碳化硅點(diǎn)群為6mm，理論上存在二階非線性光學(xué)效應(yīng)。同時(shí)碳化硅優(yōu)異的物理性質(zhì)，如寬的帶隙（2.3-3.2 eV）、高的熱導(dǎo)率（490 W/m•K）及強(qiáng)的共價(jià)鍵能（5 eV）等有利于提高其抗激光損傷能力，其損傷閾值可達(dá)80 GW/cm2。然而，目前國際上還沒有碳化硅晶體非線性光學(xué)頻率變換的實(shí)驗(yàn)報(bào)道。