[發明專利]用4H碳化硅晶體制造的非線性光學器件

有效

• 申請號: 201210004093.6
• 申請日: 2012-01-06
• 公開（公告）號: CN103197484A
• 公開（公告）日: 2013-07-10
• 發明（設計）人: 陳小龍;王順沖;彭同華;王剛;劉春俊;王文軍;金士鋒
• 申請（專利權）人: 中國科學院物理研究所
• 主分類號: G02F1/355
• 分類號: G02F1/355;G02F1/39;C30B29/36;H01S3/16
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 宋焰琴

技術領域

本發明涉及一種用4H碳化硅晶體制造的非線性光學器件，屬于材料領域和激光技術領域。

背景技術

中紅外波段(3-5μm)是大氣的一個重要窗口，該波段的激光對空氣中的大霧、煙塵等具有很強的透過能力，因而該波段激光在軍事上可用于激光制導、光電對抗及目標探測等。另外，多數的碳氫氣體及其它有毒的氣體分子在3-5μm波段有很強的吸收，因此，中紅外激光在氣體探測、大氣遙感和環境保護等領域也有著廣泛的應用。

由于缺乏直接的激光增益介質，非線性頻率變換如光參量振蕩、光參量放大及差頻等是產生中紅外激光的主要手段。在3-5μm波段，一般采用的非線性光學晶體有LiNbO₃、KTiOPO₄、AgGaS₂及ZnGeP₂等。上述非線性晶體雖然具有較大的非線性系數，但其激光損傷閾值都很低，其中，LiNbO₃的激光損傷閾值約為120MW/cm²(1.064μm，30ns)，KTiOPO₄的激光損傷閾值約為150MW/cm²(1.064μm，30ns)，AgGaS₂及ZnGeP₂的激光損傷閾值約分別為25MW/cm²(1.064μm，35ns)和3MW/cm²(1.064μm，30ns)(詳見：Dmitriev等人的Handbook?of?Nonlinear?Optical?Crystals，Springer，Berlin，1999，p.118)。因此，上述中紅外非線性光學晶體受到激光損傷閾值的限制，在很多場合得不到廣泛的應用。

碳化硅晶體具有250多種晶型，其中最常見的有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階非線性光學系數，并具有以下特點：

1.具有較大的二階非線性光學系數(4H碳化硅：d₁₅＝6.7pm/V；6H碳化硅：d₁₅＝6.6pm/V)(詳見：Sato等人的“Accurate?measurements?ofsecond-order?nonlinear?optical?coefficients?of?6H?and?4H?silicon?carbide”，Journal?of?the?Optical?Society?ofAmerica?B?26，1892(2009))；

2.在可見和紅外光區有較高的透過率(4H碳化硅透光范圍為0.38-5.5μm，6H碳化硅透光范圍為0.4-5.5μm)；

3.具有較高的激光損傷閾值(6H和4H碳化硅的激光損傷閾值均大于80GW/cm²(1.064μm，10ns))(詳見：Niedermeier等人的“Second-harmonicgeneration?in?silicon?carbide?polytypes”，Applied?Physics?Letter.75，618(1999))；

4.熱導率高(6H和4H的熱導率均為490Wm^-1K^-1)，化學穩定性好，不潮解；

5.晶體生長工藝成熟，晶體光學質量較高。

4H和6H碳化硅晶體均為正單軸晶體(n_o＜n_e)，精確測量晶體的折射率(n_o及n_e)是研究其非線性光學性質的重要前提。一定溫度下晶體的折射率數據唯一決定了該晶體在透光范圍內是否滿足非線性光學頻率變換的相位匹配條件。只有實現相位匹配時，非線性頻率轉換才有較高的效率，進而得到實際應用。