物理所研究發現碳化矽晶體的新效應

　　中紅外波段雷射在分子光譜、氣體探測、環境保護、醫學、雷射通訊、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雷射的有效途徑。常用的中紅外非線性光學晶體（硫化物及硒化物等）受到低雷射損傷閾值（<0.1 GW/cm2）的限制，不能夠滿足當今對大功率中紅外雷射的迫切需求。尋找具有高雷射損傷閾值的新型中紅外非線性光學材料是當前中紅外雷射研究領域的前沿和熱點。

    碳化矽是一種重要的寬禁帶半導體材料，由於其具有高的熱導率、大的飽和電子漂移速率及高的擊穿場強，從而被廣泛應用於製備高溫、高頻及大功率電子器件。4H碳化矽點群為6mm，理論上存在二階非線性光學效應。同時碳化矽優異的物理性質，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）等有利於提高其抗雷射損傷能力，其損傷閾值可達80 GW/cm2。然而，目前國際上還沒有碳化矽晶體非線性光學頻率變換的實驗報導。

　　中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）先進材料與結構分析實驗室陳小龍研究組（功能晶體研究與應用中心）博士生王順衝、王剛副研究員等與光學物理重點實驗室魏志義研究組博士生詹敏傑等人合作，發現半絕緣4H碳化矽晶體在2.5-5.6 μm中紅外波段具有高的透過率，通過重新測量4H碳化矽晶體在中紅外波段的折射率，糾正了前人的錯誤報導，在新測折射率的基礎上確定了4H碳化矽的相位匹配條件。他們首次採用4H碳化矽晶體，通過對飛秒超連續光譜的差頻，獲得了波長覆蓋3.9-5.6 μm的寬譜中紅外雷射輸出，圖1為實驗光路示意圖，圖2為產生的中紅外光譜。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的中紅外超短脈衝雷射。他們還利用整形後的泵浦光，通過調整晶體的相位匹配角（76-89°），實現了在3.92-4.28μm以及4.87-5.25μm波長範圍內的可調諧中紅外雷射輸出。由於4H碳化矽可以獲得高質量的大尺寸晶體，並具有高的損傷閾值和較大的二階非線性光學係數，因此有望進一步實現大功率的中紅外雷射輸出。相關結果發表在近期出版的Laser & Photonics Reviews雜誌上。

　　上述工作得到了國家自然科學基金委、科技部和中科院的支持。

圖1：差頻實驗光路示意圖。

圖2：差頻後獲得的中紅外雷射光譜，左上為用於差頻實驗的4H碳化矽晶體。