中紅外激光(3-5μm)在環(huán)境監(jiān)控、氣體分子識(shí)別、相干斷層成像、軍事等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用，特別是近年來(lái)在高次諧波產(chǎn)生單個(gè)阿秒脈沖的研究中，由于周期量級(jí)中紅外飛秒激光能獲得更高截止能量的諧波階次，有望獲得更短的阿秒脈沖和更高的時(shí)間分辨率，因此倍受人們的青睞。但受限于激光增益介質(zhì)，目前較難在室溫下直接獲得中紅外波段的飛秒激光，為此廣泛應(yīng)用的方案是基于非線性晶體的激光參量振蕩和放大技術(shù)。2013年，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(籌)陳小龍研究組(A02組)與魏志義研究組(L07組)合作，發(fā)現(xiàn)半絕緣4H-SiC晶體在2.5-5.6μm中紅外波段具有高的透過(guò)率，并首次采用該晶體差頻寬帶飛秒激光獲得了波長(zhǎng)覆蓋3.9-5.6μm的寬譜中紅外激光輸出【Laser & Photonics Rev. 7, 831 (2013)】。

　　相比常用的中紅外非線性晶體，4H-SiC晶體具有兩大優(yōu)勢(shì)。第一：具有極高的損傷閾值，因此可望獲得比AgGaS2、ZnGeP2等晶體更高的參量激光能量;第二：支持極寬的參量帶寬。通過(guò)系統(tǒng)計(jì)算非共線參量放大過(guò)程中飛秒激光在SiC晶體內(nèi)的相位匹配角、非共線角、走離角、參量帶寬、角色散及補(bǔ)償?shù)葏?shù)，理論上可以獲得大于500nm帶寬的中紅外閑頻光，因此可用于產(chǎn)生周期量級(jí)脈沖的中紅外超快激光。

　　針對(duì)4H-SiC晶體的特點(diǎn)及中紅外飛秒激光的發(fā)展需求，在2013年合作的基礎(chǔ)上，光物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室L07組的博士生范海濤、副研究員王兆華和先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)室A02組的博士生徐春華、副研究員王剛等人進(jìn)一步合作，改用L07組自建的飛秒鈦寶石激光放大器作為泵浦激光、A02組新生長(zhǎng)的高質(zhì)量4H-SiC晶體作為非線性晶體，通過(guò)飛秒激光參量放大研究獲得了能量大幅度提高的寬帶中紅外激光輸出。實(shí)驗(yàn)中他們將鈦寶石放大器輸出的激光分為三部分(圖1)，一部分用于產(chǎn)生穩(wěn)定的單絲白光超連續(xù);另一部分倍頻后泵浦BBO晶體放大白光超連續(xù)中波長(zhǎng)1μm的成分;第三部分泵浦4H-SiC晶體繼續(xù)放大1μm信號(hào)光的同時(shí)，獲得了中心波長(zhǎng)3.75μm、單脈沖能量17μJ、能量穩(wěn)定性?xún)?yōu)于1.5%的中紅外閑頻光。實(shí)驗(yàn)中采用理論計(jì)算獲得的最佳非共線角(2.3°)使得晶體中信號(hào)光與閑頻光很好地滿(mǎn)足群速匹配，獲得了半高寬550nm的超寬帶閑頻光光譜(圖2)，支持56 fs的傅里葉極限脈沖，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明實(shí)際的激光脈寬為70fs。相比2013年的結(jié)果，不僅單脈沖能量提高了近兩個(gè)量級(jí)，而且脈沖寬度也僅6個(gè)光學(xué)振蕩周期左右。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Optics Letters后，進(jìn)一步入選Spotlight on Optics焦點(diǎn)關(guān)注文章 (Highlighted Articles from OSA Journals)。

　　該工作得到國(guó)家重大研究計(jì)劃(量子調(diào)控)項(xiàng)目、自然科學(xué)基金項(xiàng)目和中科院科研裝備項(xiàng)目的支持。

圖1 中紅外激光裝置光路示意圖

圖2 中紅外激光光譜及對(duì)應(yīng)的傅里葉極限脈沖圖