基于宽禁带半导体SiC的中红外非线性光学材料

3-5 μm mid-infrared (MIR) laser sources are indispensable tools for a variety of applications in free-space communication, imaging, detection of trace gas and so on. Due to the lack of suitable solid state laser materials, nonlinear optical frequency conversions based on optical parametric oscillators/amplifiers or difference frequency generation starting from the near infrared sources have been developed to generate widely tunable MIR lasers. Now the most robust nonlinear optical crystals in MIR range, such as LiNbO3, KTiOPO4, AgGaS2, and ZnGeP2, suffer from low damage thresholds, which seriously limit the power of these systems. Wide band-gap semiconductor SiC with superior properties including high damage threshold, high thermal conductivity, and relatively high transmittance has a great potential for high power nonlinear optical applications. In this proposal, we will focus on the nonlinear optical properties of 4H-SiC crystal. The absorption and scattering of photons, laser damage in 4H-SiC and its application in nonlinear optical frequency conversion will be systematically investigated. The research will facilitate the new generation nonlinear optical material for high power, high performance MIR laser.

3-5μm中红外激光在激光通讯、红外遥感和微量气体探测等领域有着重要的应用。由于缺乏实用的能够实现中红外激光输出的固体激光工作物质，非线性光学频率变换成为目前获得高功率全固态中红外激光的主要途径。而目前采用的中红外非线性光学晶体的激光损伤阈值都很低，无法实现大功率激光的输出。宽禁带半导体SiC具有高激光损伤阈值、高热导率和较高的透过率等特性，有望在大功率中红外非线性光学频率变换方面获得实际应用。我们前期的计算也表明4H-SiC晶体可以满足中红外非线性光学频率变换的相位匹配条件。本项目以4H-SiC晶体的非线性光学性质为研究目标，系统研究4H-SiC晶体中光子的吸收和散射机制、激光损伤机制以及其在中红外非线性光学频率变换中的应用，力争研究出新一代的性能优良的中红外非线性光学材料。

3-5 μm中红外激光在激光通讯、红外遥感和微量气体探测等领域有着重要的应用。非线性光学频率变换是目前获得高功率全固态中红外激光的主要途径。而目前采用的中红外非线性光学晶体的激光损伤阈值都很低，无法实现大功率激光的输出。探索具有高激光损伤阈值的新非线性光学晶体具有重要意义。.本项目系统开展了6H及4H-SiC晶体透过率、折射率、激光损伤阈值、相位匹配、差频、光参量放大、热光系数、光谱展宽和双光子吸收等研究，取得了一系列创新性成果。.1）系统研究了6H及4H-SiC晶体的透过率、折射率及相位匹配条件，发现半绝缘SiC晶体具有高的透过率及宽的透光范围（0.4-6.0 μm）。首次测试了半绝缘4H-SiC晶体在中红外波段的折射率，提供了6H及4H-SiC晶体精确的色散方程。研究了6H及4H-SiC晶体的相位匹配条件，结果表明 4H-SiC晶体可以实现差频及光参量的相位匹配；而6H-SiC不满足相位匹配，这修正了之前关于6H-SiC可以实现相位匹配的错误认识。.2）首次采用4H碳化硅晶体，通过对飞秒超连续光谱的差频，获得了波长覆盖3.9-5.6 µm的宽谱中红外激光输出。在430 mW的泵浦光下，获得了平均功率为0.2 mW、最强输出波长为5.45 µm的中红外超短脉冲激光。.3）利用钛宝石激光器输出的波长800 nm的飞秒激光作为泵浦源，采用两级光参量放大技术，利用3.1 mm厚的半绝缘型4H-SiC晶体作为非线性光学晶体，在90°相位匹配下，首次在实验上获得了中心波长为3750 nm、单脉冲能量高达17 μJ、脉冲宽度为70 fs的脉冲中红外激光。.4）测试了6H及4H-SiC晶体在可见和中红外波段的变温折射，拟合出了Sellmier方程，采用单振子模型对热光系数的色散做出了理论解释；热光系数表明4H-SiC晶体的相位匹配不受温度的影响，而6H-SiC晶体依然不能实现温度相位匹配。.5）研究了半绝缘4H-SiC晶体的光谱展宽性能，发现其展宽光谱的半高宽随着晶体长度和入射到晶体中的激光功率密度的增加而呈线性增大，同时分析了在飞秒时间尺度内，SiC晶体的非线性折射率可能主要归因于晶体中的束缚电子和导带中的自由电子。