中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）先進材料與結構分析實驗室陳小龍研究組（A02組，功能晶體研究與應用中心）博士生王順沖、王剛副研究員等與光學物理重點實驗室魏志義研究組（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，糾正了前人的錯誤報道，在新測折射率的基礎上確定了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為實驗光路示意圖，圖2為產生的中紅外光譜。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，通過調整晶體的相位匹配角（76-89°），實現(xiàn)了在3.92-4.28 μm以及4.87-5.25 μm波長范圍內的可調諧中紅外激光輸出。由于4H碳化硅可以獲得高質量的大尺寸晶體，并具有高的損傷閾值和較大的二階非線性光學系數(shù)，因此有望進一步實現(xiàn)大功率的中紅外激光輸出。相關結果發(fā)表在近期出版的Laser & Photonics Reviews雜志上。

圖片:W020130916382386420916.png

圖1：差頻實驗光路示意圖。

圖片:W020130916382386440883.png

圖2：差頻后獲得的中紅外激光光譜，左上為用于差頻實驗的4H碳化硅晶體。

上述工作得到了國家自然科學基金委、科技部和中國科學院的支持。

中紅外波段激光在分子光譜、氣體探測、環(huán)境保護、醫(yī)學、激光通訊、紅外遙感及光電對抗等領域具有重要的應用，非線性光學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，不能夠滿足當今對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材料是當前中紅外激光研究領域的前沿和熱點。

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