中紅外波段激光在分子光譜、氣體探測、環(huán)境保護、醫(yī)學(xué)、激光通訊、紅外遙感及光電對抗等領(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。
 
     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強，從而被廣泛應(yīng)用于制備高溫、高頻及大功率電子器件。4H碳化硅點群為6mm，理論上存在二階非線性光學(xué)效應(yīng)。同時碳化硅優(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(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)頻率變換的實驗報道。
　 

     中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）先進材料與結(jié)構(gòu)分析實驗室陳小龍研究組（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)物理重點實驗室魏志義研究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，通過重新測量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(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(chǎn)生的中紅外光譜。在430mW的泵浦光下，獲得平均功率為0.2mW、最強輸出波長為5.45μm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°），實現(xiàn)了在3.92-4.28μm以及4.87-5.25μm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)，因此有望進一步實現(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。

　　上述工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部和中科院的支持。

                                                           圖1：差頻實驗光路示意圖。
 

         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。