中紅外激光(3-5μm)在環境監控、氣體(ti) 分子識別、相幹斷層成像、軍(jun) 事等領域有著重要應用，特別是近年來在高次諧波產(chan) 生單個(ge) 阿秒脈衝(chong) 的研究中，由於(yu) 周期量級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衝(chong) 和更高的時間分辨率，因此倍受人們(men) 的青睞。但受限於(yu) 激光增益介質，目前較難在室溫下直接獲得中紅外波段的飛秒激光，為(wei) 此廣泛應用的方案是基於(yu) 非線性晶體(ti) 的激光參量振蕩和放大技術。2013年，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室(籌)陳小龍研究組(A02組)與(yu) 魏誌義(yi) 研究組(L07組)合作，發現半絕緣4H-SiC晶體(ti) 在2.5-5.6μm中紅外波段具有高的透過率，並首次采用該晶體(ti) 差頻寬帶飛秒激光獲得了波長覆蓋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(ti) ，4H-SiC晶體(ti) 具有兩(liang) 大優(you) 勢。第一：具有極高的損傷(shang) 閾值，因此可望獲得比AgGaS2、ZnGeP2等晶體(ti) 更高的參量激光能量;第二：支持極寬的參量帶寬。通過係統計算非共線參量放大過程中飛秒激光在SiC晶體(ti) 內(nei) 的相位匹配角、非共線角、走離角、參量帶寬、角色散及補償(chang) 等參數，理論上可以獲得大於(yu) 500nm帶寬的中紅外閑頻光，因此可用於(yu) 產(chan) 生周期量級脈衝(chong) 的中紅外超快激光。

　　針對4H-SiC晶體(ti) 的特點及中紅外飛秒激光的發展需求，在2013年合作的基礎上，光物理重點實驗室L07組的博士生範海濤、副研究員王兆華和先進材料與(yu) 結構分析實驗室A02組的博士生徐春華、副研究員王剛等人進一步合作，改用L07組自建的飛秒鈦寶石激光放大器作為(wei) 泵浦激光、A02組新生長的高質量4H-SiC晶體(ti) 作為(wei) 非線性晶體(ti) ，通過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。實驗中他們(men) 將鈦寶石放大器輸出的激光分為(wei) 三部分(圖1)，一部分用於(yu) 產(chan) 生穩定的單絲(si) 白光超連續;另一部分倍頻後泵浦BBO晶體(ti) 放大白光超連續中波長1μm的成分;第三部分泵浦4H-SiC晶體(ti) 繼續放大1μm信號光的同時，獲得了中心波長3.75μm、單脈衝(chong) 能量17μJ、能量穩定性優(you) 於(yu) 1.5%的中紅外閑頻光。實驗中采用理論計算獲得的最佳非共線角(2.3°)使得晶體(ti) 中信號光與(yu) 閑頻光很好地滿足群速匹配，獲得了半高寬550nm的超寬帶閑頻光光譜(圖2)，支持56 fs的傅裏葉極限脈衝(chong) ，實驗測量結果表明實際的激光脈寬為(wei) 70fs。相比2013年的結果，不僅(jin) 單脈衝(chong) 能量提高了近兩(liang) 個(ge) 量級，而且脈衝(chong) 寬度也僅(jin) 6個(ge) 光學振蕩周期左右。相關(guan) 結果發表在Optics Letters後，進一步入選Spotlight on Optics焦點關(guan) 注文章 (Highlighted Articles from OSA Journals)。

　　該工作得到國家重大研究計劃(量子調控)項目、自然科學基金項目和中科院科研裝備項目的支持。

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應的傅裏葉極限脈衝(chong) 圖