近日，课题组在基于金刚石的超连续谱激光产生研究方面取得进展，相关成果以“Broadband, stable supercontinuum generation in diamond from 350 nm to 1400 nm”为题发表于国际知名物理类期刊《Applied Physics Letters》。其中，物理学院青年教师何九如为论文第一作者，博士生马后杰为共同第一作者，通讯作者为胡永生副教授和单崇新教授。郑州大学为论文第一单位。

超连续谱(Supercontinuum, SC)激光，又称白光激光，因其宽光谱、高亮度和良好的空间相干性等特点，在生物医学成像、光谱检测以及军事对抗等领域展现出重要应用前景。产生超连续谱激光的介质包括气体、液体和固体（如光纤、平面波导和块状晶体）。其中，固体介质中的块状晶体具有操作简便、结构紧凑以及对光束失准不敏感等独特优势。然而，受到晶体激光损伤的制约，当前绝大多数晶体超连续谱激光仅能实现微焦以下的能量输出。如何实现高能量稳定输出，同时实现宽带覆盖（特别是覆盖整个可见光范围）是超连续谱激光面临的主要挑战之一。

金刚石凭借其优异的物理特性，包括超宽的透光范围(225 nm至远红外)，大的非线性折射率(n₂ = 4~17×10^-16 cm²/W)、宽的带隙(5.5 eV)、极高的热导率(2000 W/m·K)和优异的抗激光损伤特性，成为解决这一难题的理想选择。

实验采用钛宝石飞秒激光器(1 kHz, 100 fs, 800 nm)泵浦自主生长的大尺寸金刚石单晶，在数值孔径NA = 0.01和泵浦能量110 μJ时，获得了350-1400 nm的超连续谱激光，成功覆盖整个可见光波段。最高输出能量达到22.2 μJ (不包含残余泵浦光)，远超其他所有类型晶体材料，并表现出优异的光谱再现性。研究表明，在低泵浦能量下，自相位调制是光谱展宽的主要机制。随着泵浦能量的升高，自陡峭效应主导了光谱演化，使其向长波方向扩展。随着能量显著超过自聚焦阈值，强度钳制效应将限制峰值自聚焦强度与光谱展宽范围，使得超连续谱的光谱带宽趋于稳定。研究还发现使用更长的晶体长度和更小的数值孔径更有利于超连续谱的光谱展宽。

这项研究展现出金刚石作为新一代宽带超快光源介质材料的巨大潜力，有望推动其在医学成像、精密测量及光电对抗等领域的进一步研究和应用。

图1  飞秒激光泵浦金刚石产生超连续谱的实验装置。左上角插图给出了超连续谱激光的辐射图样。

图2  不同泵浦能量下，金刚石超连续谱激光的光谱能量密度。聚焦数值孔径：(a) NA = 0.025，(b) NA = 0.01。

该项工作得到了国家自然科学基金、河南省自然科学基金以及郑州大学青年学生基础研究等科研项目的资助。

相关资料：Broadband, stable supercontinuum generation in diamond from 350 to 1400 nm, Applied Physics Letters, 2025, 127, 091105.

https://pubs.aip.org/aip/apl/article-abstract/127/9/091105/3361560/Broadband-stable-supercontinuum-generation-in?redirectedFrom=fulltext