CN103197484B - 用4h碳化硅晶体制造的非线性光学器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用4H碳化硅晶体制造的非线性光学器件。该非线性光学晶体用于改变具有特定频率的至少一束激光(12)，产生至少一束不同于所述频率的另一特定频率的激光(16)，所述非线性光学晶体为4H碳化硅晶体(13)。由于4H碳化硅晶体具有很高的激光损伤阈值、较宽的透光范围(0.38-5.9μm及6.6-7.08μm)、较大的二阶非线性光学系数(d15＝6.7pm/V)、较大的双折射、高热导率(490Wm-1K-1)以及高化学稳定性等特点，使得本发明的非线性光学器件在输出高功率、高光束质量的中红外激光方面更好地满足实际应用需求，具有显著地实际应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种用4H碳化硅晶体制造的非线性光学器件，属于材料领域和激光技术领域。
背景技术
中红外波段(3-5μm)是大气的一个重要窗口，该波段的激光对空气中的大雾、烟尘等具有很强的透过能力，因而该波段激光在军事上可用于激光制导、光电对抗及目标探测等。另外，多数的碳氢气体及其它有毒的气体分子在3-5μm波段有很强的吸收，因此，中红外激光在气体探测、大气遥感和环境保护等领域也有着广泛的应用。
由于缺乏直接的激光增益介质，非线性频率变换如光参量振荡、光参量放大及差频等是产生中红外激光的主要手段。在3-5μm波段，一般采用的非线性光学晶体有LiNbO3、KTiOPO4、AgGaS2及ZnGeP2等。上述非线性晶体虽然具有较大的非线性系数，但其激光损伤阈值都很低，其中，LiNbO3的激光损伤阈值约为120MW/cm2(1.064μm，30ns)，KTiOPO4的激光损伤阈值约为150MW/cm2(1.064μm，30ns)，AgGaS2及ZnGeP2的激光损伤阈值约分别为25MW/cm2(1.064μm，35ns)和3MW/cm2(1.064μm，30ns)(详见：Dmitriev等人的HandbookofNonlinearOpticalCrystals，Springer，Berlin，1999，p.118)。因此，上述中红外非线性光学晶体受到激光损伤阈值的限制，在很多场合得不到广泛的应用。
碳化硅晶体具有250多种晶型，其中最常见的有3C碳化硅、4H碳化硅和6H碳化硅，其中4H和6H碳化硅具有非零的二阶非线性光学系数，并具有以下特点：
1.具有较大的二阶非线性光学系数(4H碳化硅：d15＝6.7pm/V；6H碳化硅：d15＝6.6pm/V)(详见：Sato等人的“Accuratemeasurementsofsecond-ordernonlinearopticalcoefficientsof6Hand4Hsiliconcarbide”，JournaloftheOpticalSocietyofAmericaB26，1892(2009))；
2.在可见和红外光区有较高的透过率(4H碳化硅透光范围为0.38-5.5μm，6H碳化硅透光范围为0.4-5.5μm)；
3.具有较高的激光损伤阈值(6H和4H碳化硅的激光损伤阈值均大于80GW/cm2(1.064μm，10ns))(详见：Niedermeier等人的“Second-harmonicgenerationinsiliconcarbidepolytypes”，AppliedPhysicsLetter.75，618(1999))；
4.热导率高(6H和4H的热导率均为490Wm-1K-1)，化学稳定性好，不潮解；
5.晶体生长工艺成熟，晶体光学质量较高。
4H和6H碳化硅晶体均为正单轴晶体(no＜ne)，精确测量晶体的折射率(no及ne)是研究其非线性光学性质的重要前提。一定温度下晶体的折射率数据唯一决定了该晶体在透光范围内是否满足非线性光学频率变换的相位匹配条件。只有实现相位匹配时，非线性频率转换才有较高的效率，进而得到实际应用。
1944年，Thibault采用最小偏向角法率先测量了6H碳化硅在可见光波段(0.4047-0.6708μm)的折射率(详见：Thibault的“Morphologicalandstructuralcrystallographyandopticalpropertiesofsiliconcarbide(SiC)”，TheAmericanMineralogist29，327(1944))，测试的精度约为3×10-4。1968年，Choyke等人采用牛顿等倾干涉法测量了6H碳化硅的o光折射率(no)，并把no扩展到紫外和红外波段，测量精度约为2×10-3(详见：Choyke等人的“Refractiveindexandlow-frequencydielectricconstantof6HSiC”，JournaloftheOpticalSocietyofAmerica58，377(1968))。1971年，Shaffer测量了4H和6H碳化硅在可见光波段(0.467-0.691μm)的折射率，并拟合了它们的色散方程，测量精度约为1×10-3(详见：Shaffer的“Refractiveindex，dispersion，andbirefringenceofsiliconcarbidepolytypes”，AppliedOptics10，1034(1971))。
1972年的美国专利“Nonlinearopticaldevicesutilizingsubstantiallyhexagonalsiliconcarbide”(专利号：US3676695)及其同族专利(CA962755，NL7210039，SE3676695，IT964758，GB1375638，FR2147103，DE2235800及BE786555)通过最小偏向角法测试了一个六方结构的碳化硅在6个波长下(0.488，0.5017，0.5145，0.5321，0.6328及1.064μm)的折射率。该专利中碳化硅晶体的吸收谱显示，该晶体的最短透过波长为0.4μm，对应于6H碳化硅的带隙(3.0eV)；其折射率的测试数据也进一步表明该晶体为6H碳化硅。该专利提出采用6H碳化硅作为非线性光学晶体通过角度相位匹配可用于倍频及光参量等频率变换，而且参与非线性光学频率变换的光束中，至少有一束激光的波长大于1μm。上述专利的发明人Singh等人在随后发表的文章中指出6H碳化硅在基频光波长大于2μm时可以实现倍频相位匹配，特别是当基频光波长为2.128μm时，倍频相位匹配角约为75°(详见：Singh等人的“Nonlinearopticalpropertiesofhexagonalsiliconcarbide”，AppliedPhysicsLetters19，53(1971))。值得注意的是，该专利测试6H碳化硅折射率所使用的光源的最长波长仅为1.064μm，而非线性光学频率变换的波长涉及到波长较长的红外光波段(如2.128μm)，通过基于短波长的折射率拟合的色散公式外推较长波长折射率的方法会导致折射率数据有很大的偏差。本发明的发明人提供的新的折射率数据表明，6H碳化硅晶体不可能在红外波段内用于激光倍频及光参量，即Singh等人所申请的专利及其同族专利中所涉及的发明内容是不可能实现的，详见下述内容。
1985年Choyke等人在文献中提供的6H碳化硅的折射率no数据大部分取自于上述的1944年Thibault，1968年Choyke等人及1971年Shaffer等人文献中的数据，并且只是将这些文献中的折射率no的数据进行简单的堆砌；由于这三篇文献测试折射率时采用不同的测试方法，使得Choyke等人的文献提供的折射率no数据存在许多矛盾的地方；根据现有知识可知，随着波长的增加，折射率no的数值应当是减小的，然而Choyke等人的文献中报道的折射率no的数据并不如此：比如波长为0.4959μm的no数值为2.684，反而小于0.498μm的no数值(2.687)等(详见：Choyke等人的HandbookofOpticalConstantsofSolids，Academic，NewYork，1985，p.593)。2003年，Baugher等人测量了6H碳化硅晶体的双折射(ne-no)数值，想当然地采用1985年Choyke等在文献中报道的折射率no的数据，计算指出6H碳化硅晶体可以满足光参量振荡的相位匹配条件(详见：Baugher等人的“TemperaturedependenceofthebirefringenceofSiC”，OpticalMaterials23，519(2003))。Baugher等人仅测量了6H碳化硅晶体的双折射，然而引用了不正确的折射率数据，因此实际上光参量振荡的相位匹配条件是无法实现的。
由此可见，现有文献对6H碳化硅晶体折射率的测试大都集中在可见光波段，在波长更长的红外光波段，折射率数据极其缺乏；而6H碳化硅晶体的非线性光学频率变换主要涉及到红外光波段，为了减小通过色散公式外推折射率引起的误差，精确测试6H碳化硅在红外光波段的折射率显得十分重要。
本发明的发明人通过最小偏向角法测量了6H碳化硅晶体在可见及红外光波段(0.4358-2.325μm)的折射率(no及ne)，精度约为3×10-5，并拟合了6H碳化硅晶体的色散方程。通过与上述文献的折射率数据对比发现(如图1、图2所示)，本发明的发明人的结果在可见光波段与之前文献的折射率数据十分接近，而在红外光波段有显著差异。本发明的发明人的实验数据表明6H碳化硅晶体在红外光波段有较大的色散，而1971年Shaffer及1972年美国专利(专利号：US3676695)通过色散公式外推得到的折射率在红外光波段色散较小。
本发明的发明人进而计算了6H碳化硅晶体非线性频率变换的相位匹配情况。6H碳化硅晶体点群为6mm，只存在第二类角度相位匹配。对于倍频，若实现角度相位匹配，则应满足：n1o+n1e＞2n2o(由相位匹配角的正弦值小于1推得)，n1o和n1e分别为基频光的o光与e光折射率，n2o为倍频光的o光折射率。由于6H碳化硅在红外光波段色散较大而双折射相对较小，计算结果表明，6H碳化硅晶体在透光波段(0.4-5.5μm)不能实现倍频相位匹配。对于光参量或差频等非线性频率变换，相位匹配条件为：n3oω3-n1e(θ)ω1＝n2oω2，其中，ω3和ω1为泵浦光的频率，ω2为红外光的频率；n3o和n2o分别为泵浦光ω3和红外光ω2的o光折射率，n1e(θ)为与光轴夹角为θ方向上的泵浦光ω1的e光的折射率。通过计算，6H碳化硅在透光范围内光参量或差频也不能实现角度相位匹配。美国专利(专利号：US3676695)及2003年Baugher等人的计算采用了错误的折射率数据，得出了6H碳化硅晶体可以实现中红外非线性频率变换相位匹配的错误结论。
1971年，Shaffer测量了4H碳化硅在可见光波段的折射率(0.467-0.691μm)(详见：Shaffer的“Refractiveindex，dispersion，andbirefringenceofsiliconcarbidepolytypes”，AppliedOptics10，1034(1971))。但迄今为止，尚未见到有关4H碳化硅晶体非线性光学性能及将4H碳化硅晶体用于制作非线性光学器件的报道。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是提供一种用4H碳化硅晶体制造的非线性光学器件。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，根据本发明的第一方面，提供一种非线性光学器件，包括至少一个非线性光学晶体，该非线性光学晶体用于改变具有特定频率的至少一束激光，产生至少一束不同于所述频率的另一特定频率的激光，所述非线性光学晶体为4H碳化硅晶体。
根据本发明的第二方面，提供一种可调谐中红外激光器，包括第一泵浦光源、第二泵浦光源，该第一泵浦光源与该第二泵浦光源发射的激光频率不同，还包括一个4H碳化硅晶体，其中第一泵浦光源和第二泵浦光源发射的激光共线入射到该4H碳化硅晶体上进行差频，以出射一中红外激光。
根据本发明的第三方面，提供一种光参量放大装置，包括第三泵浦光源、宽带信号光激光器，还包括4H碳化硅晶体，并且第三泵浦光源发射的激光和宽带信号光激光器产生的信号光入射到4H碳化硅晶体上，经过光参量放大后，出射一中红外激光。
根据本发明的第四方面，提供一种宽带可调谐中红外激光器，包括第四泵浦光源，该泵浦光源为宽带脉冲激光器，还包括4H碳化硅晶体，利用第四泵浦光源输出的泵浦光的高频成分和低频成分在4H碳化硅晶体中差频，再经过滤光片后出射宽带中红外激光。
(三)有益效果
本发明的用4H碳化硅晶体制造的非线性光学器件采用4H碳化硅晶体实现中红外非线性光学频率变换，与现有的非线性光学器件相比，由于4H碳化硅晶体具有很高的激光损伤阈值、较宽的透光范围(0.38-5.9μm及6.6-7.08μm)、较大的二阶非线性光学系数(d15＝6.7pm/V)、较大的双折射、高热导率(490Wm-1K-1)以及高化学稳定性等特点，使得本发明的非线性光学器件在输出高功率、高光束质量的中红外激光方面更好地满足实际应用需求，具有显著地实际应用价值。
附图说明
图1是6H碳化硅晶体no的色散曲线及与之前文献no数据的对比。
图2是6H碳化硅晶体ne的色散曲线及与之前文献ne数据的对比。
图3是4H碳化硅晶体的透过率曲线。
图4是4H碳化硅晶体的色散曲线。
图5是本发明实施例1的结构示意图。
图6是本发明实施例2与实施例3的结构示意图。
图7是本发明实施例2的第一泵浦光源与第二泵浦光源的第II类差频相位匹配调谐曲线。
图8是本发明实施例3的第一泵浦光源与第二泵浦光源的第II类差频相位匹配调谐曲线。
图9是本发明实施例4的结构示意图。
图10是本发明实施例4的第三泵浦光源的光参量放大相位匹配调谐曲线。
图11是本发明实施例5的结构示意图。
图12是本发明实施例5的入射激光偏振方向与晶体主截面夹角示意图。
图13是本发明实施例5的第四泵浦光源的光谱曲线。
图14是本发明实施例5的差频所得的中红外激光光谱图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的非线性光学晶体为4H碳化硅，其化学式为4H-SiC。4H碳化硅晶体的有效二阶非线性光学极化系数为deff＝d15sinθ，由于4H-SiC晶体的点群为6mm，所以只存在第II类相位匹配(即入射的两束光的偏振方向不一致，一束光为o光，另一束为e光，此种相位匹配方式称为第II类相位匹配)，θ为相位匹配角度。
所述4H碳化硅晶体不具有对称中心，属六方晶系，空间群为P63mc，其中每个晶胞内含有四层碳硅原子层，按ABCB方式排列而成。
4H碳化硅晶体的生长方法包括物理气相传输法、高温化学气相沉积法或液相法。为使4H碳化硅晶体拥有较高的透过率，可以通过控制碳化硅原料和生长室内耗材的纯度，获得高纯的4H碳化硅晶体；或者通过人为掺杂的方式来提高晶体的透过率：例如通过p型掺杂(掺铝或硼)来补偿晶体中的n型杂质(氮)，或通过掺杂深能级的钒来补偿浅能级的施主(氮)或者受主(硼或铝)等，也可以通过引入点缺陷的方式来补偿浅能级的施主或受主，实现4H碳化硅晶体的高透过率。
所述4H碳化硅晶体的制备方法包括物理气相传输法、高温化学气相沉积法或液相法。本发明的发明人通过物理气相传输法生长出了高透过率的4H碳化硅晶体，其透过率光谱如图3所示。但是，需要说明的是，高温化学气相沉积法以及液相法采用上述原理同样可以获得高透过率的4H碳化硅晶体。
本发明的发明人采用最小偏向角法测试了4H碳化硅晶体在可见及红外光波段(0.4047-2.325μm)的折射率，精度约为3×10-5，同时通过任意偏折法测量了4H碳化硅晶体在中红外波段(3-5μm)的o光折射率，并拟合了其色散方程。
通过最小偏向角法测量的4H碳化硅晶体在可见以及红外光波段的折射率，以及通过任意偏折法测量的4H碳化硅晶体在中红外波段的o光折射率的测试结果如表1所示，其中no为4H碳化硅的o光折射率，ne为4H碳化硅的e光折射率。
表1：室温下4H碳化硅晶体的折射率测试结果
| 波长(μm) | no | ne |
| 0.4047 | 2.75980 | 2.82891 |
| 0.4358 | 2.72794 | 2.79222 |
| 0.48 | 2.69479 | 2.75447 |
| 0.5461 | 2.66131 | 2.71665 |
| 0.5875 | 2.64634 | 2.69984 |
| 0.6438 | 2.63085 | 2.68251 |
| 0.7065 | 2.61792 | 2.66811 |
| 0.8521 | 2.59832 | 2.64638 |
| 1.014 | 2.58290 | 2.63203 |
| 1.53 | 2.56448 | 2.60938 |
| 1.8 | 2.55736 | 2.60173 |
| 1.97 | 2.55325 | 2.59735 |
| 2.325 | 2.54479 | 2.58837 |
| 3.0 | 2.5288 | |
| 3.5 | 2.5131 | |
| 4.0 | 2.4932 | |
| 4.5 | 2.4704 | |
| 5.0 | 2.4440 |
本发明的发明人采用如下所示的Sellmeier方程拟合了4H碳化硅晶体的折射率：
其中波长λ的单位为微米。4H碳化硅晶体的色散曲线如图4所示。
4H碳化硅与6H碳化硅相比有较大的双折射，这使得4H碳化硅晶体有可能实现非线性光学频率变换的相位匹配。本发明的发明人实验发现，4H碳化硅晶体可以实现输出中红外波段激光的非线性光学频率变换的相位匹配，使得4H碳化硅晶体在可调谐输出3.4-7.1μm中红外激光方面更好地满足实际应用需求，具有显著地实际应用价值。
以下介绍用4H碳化硅晶体制造的可调谐中红外激光器的具体实施方式。
实施例1：
根据本发明的实施例1，一种非线性光学器件包括采用至少一束激光作为入射光，通过至少一块非线性光学晶体后，产生至少一束频率不同于入射光波长的激光输出。其中的非线性光学晶体为4H碳化硅晶体。所述光学器件通过光参量放大、光参量振荡或差频技术实现可调谐中红外激光的输出。
图5是本发明实施例1的工作原理图，其中激光器(11)发射一入射激光束(12)，该入射激光束依次通过4H碳化硅晶体(13)和滤光片(15)，(14)是通过4H碳化硅晶体(13)而经光参量放大、光参量振荡或差频等过程后出射的激光束，滤光片(15)的作用是滤去入射激光束(12)的波长，附图标记(16)是出射的中红外激光。
在该实施例1中，所采用的4H碳化硅晶体是如前所述的4H碳化硅晶体，并且
所述激光器入射光波长范围为0.38-5.5μm，所述4H碳化硅晶体在0.38-5.5μm及6.7-6.9μm波长范围内透过率大于10％。
在该实施例1中，入射光波长优选为0.8μm，此时其透光率大于40％。但本发明并不限于此，入射光波长也可为0.38μm、0.55μm或者0.38-5.5μm之间的任意值。
此外，所述4H碳化硅晶体实现非线性光学频率变换的相位匹配方式为第II类相位匹配；
所述4H碳化硅晶体相位匹配的方式可以是通过调节晶体温度实现临界相位匹配；
所述4H碳化硅晶体至少有一面为光学抛光；
所述4H碳化硅晶体表面镀有增透膜、高反膜和/或半透膜。
实施例2：
本发明的实施例2是一种用4H碳化硅晶体制造的可调谐中红外激光器，结构示意图如图6所示，该可调谐中红外激光器包括第一泵浦光源(21)、第二泵浦光源(22)、激光同步装置(23)、偏振片(24)、偏振片(25)、隔离器(26)、隔离器(27)、反射镜(28)、二向色镜(29)、会聚透镜(210)、4H碳化硅晶体(211)、滤光片(212)。第一泵浦光源发射的激光依次经过偏振片(24)、隔离器(26)、反射镜(28)、二向色镜(29)、会聚透镜(210)、4H碳化硅晶体(211)；第二泵浦光源出射的激光依次经过偏振片(25)、隔离器(27)、二向色镜(29)、会聚透镜(210)、4H碳化硅晶体(211)。
第一泵浦光源的波长为0.8-0.9μm，第二泵浦光源的波长为1.064μm。第一泵浦光源及第二泵浦光源可以是锁模激光器或调Q激光器；锁模的方式可以是主动锁模、被动锁模或自锁模；调Q方式可以是主动电光调Q、声光调Q或被动调Q。
第一泵浦光源可以是可调谐钛宝石激光器，第二泵浦光源可以是Nd:YAG激光器。
第一泵浦光源及第二泵浦光源的泵浦方式可以是氙灯泵浦、半导体激光泵浦或固态激光泵浦。第二泵浦光源的增益介质可以是Nd:YAG、Nd:YVO4或Nd:YLF。
第一泵浦光源和第二泵浦光源经同步装置同步后，分别经过偏振片、隔离器、反射镜及二向色镜后，在满足规定的相位匹配条件下，由会聚透镜共线入射到4H碳化硅晶体上进行差频，再经过滤光片(212)后出射中红外激光。
在该实施例2中，所采用的4H碳化硅晶体是如实施例1的4H碳化硅晶体，并且
所述激光器入射光波长范围为0.7-0.9μm及1.064μm，所述4H碳化硅晶体在0.38-5.5μm及6.7-6.9μm波长范围内透过率大于10％。
在该实施例2中，入射光波长优选为0.838μm，此时其透光率大于40％。但本发明并不限于此，入射光波长也可为0.38μm、0.55μm或者0.38-5.5μm之间的任意值。
此外，
所述4H碳化硅晶体实现非线性光学频率变换的相位匹配方式为第II类相位匹配；
所述4H碳化硅晶体相位匹配的方式可以是通过调节晶体温度实现临界相位匹配；
所述4H碳化硅晶体至少有一面为光学抛光；
所述4H碳化硅晶体表面镀有增透膜、高反膜和/或半透膜。
其中4H碳化硅晶体切割角为θ，即晶体通光方向与晶体光轴的夹角。
通过调整第一泵浦光的输出波长及4H碳化硅晶体的角度，实现中红外差频光的可调谐输出。
图7所示为本实施例2的第一泵浦光源的波长及差频光波长与θ角的关系。
在本实施例2中，晶体切割角θ的值一般为79°-89°，例如82°，第一泵浦光源的波长可取0.8μm-0.9μm，优选为0.838μm，差频光的波长范围为3.6-5.3μm，优选为3.945μm。
实施例3：
实施例3的可调谐中红外激光器采用与实施例2相同的结构，采用的4H碳化硅晶体也相同。所不同的是：第一泵浦光源与第二泵浦光源均为钛宝石激光器。
图8所示为第一泵浦光源的波长分别为0.7、0.72、0.74、0.76、及0.78μm、第二泵浦光源的波长为0.7-0.9μm时，差频输出的中红外光波长与晶体切割角θ的关系。
在本实施例3中，差频输出的中红外光波长范围为3.6-7μm，优选为4.0μm，晶体切割角θ为73°-89°，优选为81.5°。
实施例4：
本发明的实施例4是一种用4H碳化硅晶体制造的光参量放大装置，如图9所示，该光参量放大装置包括第三泵浦光源(41)、宽带信号光激光器(42)、二向色镜(43)、会聚透镜(44)、4H碳化硅晶体(45)及滤光片(46)，其中第三泵浦光源为532nm激光器。第三泵浦光源(41)发射的激光束依次经过二向色镜(43)、会聚透镜(44)及4H碳化硅晶体(45)。宽带信号光激光器(42)发射的信号光依次经过二向色镜(43)、会聚透镜(44)及4H碳化硅晶体(45)。
作为第三泵浦光源的532nm激光器由1.064μm激光器倍频得到，倍频晶体为BBO、LBO、KDP、KTP或CLBO。532nm激光器可以是锁模脉冲激光器或调Q激光器，调Q方式可以是主动电光调Q、声光调Q或被动调Q。泵浦方式是氙灯泵浦、半导体激光泵浦或固态激光泵浦。
532nm泵浦光与宽带信号光激光器(42)产生的信号光通过会聚透镜(44)后入射到4H碳化硅晶体(45)上，经过光参量放大后，产生中红外光，再经过滤光片(46)后得到中红外激光。
其中4H碳化硅晶体与实施例1-3中采用的4H碳化硅晶体相同。
图10所示为泵浦光波长为532nm时，光参量放大产生的中红外光波长与θ角的关系。
在本实施例4中，晶体切割角θ的值一般为72°-88°，优选为78°，中红外光范围为4.3-7μm，优选为4.756μm。
实施例5：
本发明的实施例5是一种用4H碳化硅晶体制造的宽带可调谐中红外激光器，结构示意图如图11所示，该宽带可调谐中红外激光器包括第四泵浦光源(51)、会聚透镜(54)、4H碳化硅晶体(55)及滤光片(56)。第四泵浦光源发射的激光依次经过会聚透镜(54)、4H碳化硅晶体(55)及滤光片(56)。
第四泵浦光源(51)发射的泵浦光(52)为线偏振光，偏振方向(53)与晶体的主截面有一个夹角α，且满足0＜α＜90°，α优选41°，如图12所示，附图标记(58)表示晶体主截面与纸面的交线。
第四泵浦光源为重复频率为1KHz，脉宽为20fs，光谱范围为500-1000nm的放大飞秒钛宝石激光器，图13所示为本实施例5的第四泵浦光源(51)输出的超连续激光光谱。第四泵浦光源输出的泵浦光(52)在4H碳化硅晶体中同时产生o光和e光，利用超连续宽谱飞秒脉冲中的高频成分和低频成分在4H碳化硅晶体(55)中直接差频，再经过滤光片(56)后出射中红外激光。
在该实施例5中，所采用的4H碳化硅晶体是如实施例1的4H碳化硅晶体，并且
所述激光器入射光波长范围为0.38-1.0μm，所述4H碳化硅晶体在0.38-5.5μm及6.7-6.9μm波长范围内透过率大于10％。
此外，
所述4H碳化硅晶体实现非线性光学频率变换的相位匹配方式为第II类相位匹配；
所述4H碳化硅晶体相位匹配的方式可以是通过调节晶体温度实现临界相位匹配；
所述4H碳化硅晶体至少有一面为光学抛光；
所述4H碳化硅晶体表面镀有增透膜、高反膜和/或半透膜。
其中4H碳化硅晶体切割角为θ，即晶体通光方向与晶体光轴的夹角。
在本实施例5中，晶体切割角θ的值一般为79°-89°，差频光的波长范围为3.6-7μm。
图14所示为本实施例5的晶体切割角为82°时所得到的宽带中红外差频光光谱。
本发明的上述实施例采用4H碳化硅晶体实现中红外非线性光学频率变换，与现有的非线性光学器件相比，由于4H碳化硅晶体具有很高的激光损伤阈值、较宽的透光范围(0.38-5.9μm及6.6-7.08μm)、较大的二阶非线性光学系数(d15＝6.7pm/V)、较大的双折射、高热导率(490Wm-1K-1)以及高化学稳定性等特点，使得本发明的非线性光学器件在输出高功率、高光束质量的中红外激光方面更好地满足实际应用需求，具有显著地实际应用价值。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种非线性光学器件，包括至少一个非线性光学晶体，该非线性光学晶体用于改变具有特定频率的至少一束激光(12)，产生至少一束不同于所述频率的另一特定频率的激光(16)，其特征在于：
所述非线性光学晶体为4H碳化硅晶体(13)，并且满足第Ⅱ类相位匹配，其中产生的一束激光的波长范围为3.4-7.1μm。
2.如权利要求1所述的非线性光学器件，其特征在于，所述4H碳化硅晶体(13)实现非线性光学频率变换的相位匹配的方式是通过调节晶体温度实现临界相位匹配。
3.一种可调谐中红外激光器，包括第一泵浦光源(21)、第二泵浦光源(22)，该第一泵浦光源(21)与该第二泵浦光源(22)发射的激光频率不同，其特征在于：
还包括一个4H碳化硅晶体(211)，其中
第一泵浦光源(21)和第二泵浦光源(22)发射的激光共线入射到该4H碳化硅晶体上进行差频，以出射一中红外激光。
4.如权利要求3所述的可调谐中红外激光器，其特征在于，出射的激光的波长为3.5-7.08μm。
5.如权利要求3所述的可调谐中红外激光器，其特征在于，其中4H碳化硅晶体(211)的切割角为θ，θ为相位匹配角度，并满足50°<θ<90°。
6.一种光参量放大装置，包括泵浦光源(41)、宽带信号光激光器(42)，其特征在于：
还包括4H碳化硅晶体(45)，并且
泵浦光源(41)发射的激光和宽带信号光激光器(42)产生的信号光入射到4H碳化硅晶体(45)上，经过光参量放大后，出射一中红外激光。
7.如权利要求6所述的光参量放大装置，其特征在于：
泵浦光源(41)为532nm激光器。
8.如权利要求6所述的光参量放大装置，其特征在于，其中4H碳化硅晶体(45)的晶体切割角为θ，且满足68°<θ<88°。
9.如权利要求6所述的光参量放大装置，其特征在于，出射的激光的波长为4.3-7μm。
10.一种宽带可调谐中红外激光器，包括泵浦光源(51)，该泵浦光源为宽带脉冲激光器，其特征在于还包括一个4H碳化硅晶体(55)，并且
利用泵浦光源(51)输出的泵浦光(52)中的高频成分和低频成分在4H碳化硅晶体(55)中差频，再经过滤光片(56)后出射宽带中红外激光。
11.如权利要求10所述的宽带可调谐中红外激光器，其特征在于，泵浦光源(51)为超连续宽谱脉冲钛宝石激光器。
12.如权利要求10所述的宽带可调谐中红外激光器，其特征在于，泵浦光源的偏振方向(53)与晶体的主截面有一个夹角α，且满足0<α<90°。
13.如权利要求10所述的宽带可调谐中红外激光器，其特征在于，所述4H碳化硅晶体(55)的晶体切割角为θ，且满足70°<θ<89°。
14.如权利要求10所述的宽带可调谐中红外激光器，其特征在于，出射的激光的波长为3.5-7.08μm。
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