国产 28 mm 口径 CdSe 单晶问世：中远红外非线性光学“新担当” 【导语】

搁浅

国产 28 mm 口径 CdSe 单晶问世：中远红外非线性光学“新担当” ( DOI: 10.1364/ome.8.001796)

8–12 μm 波段被公认为“大气窗口”，却长期缺乏既宽透明、高损伤阈值又能大尺寸生长的非线性光学（NLO）晶体。中科院安徽光机所团队最新报道，利用 1 MPa 氮气气氛下的垂直布里奇曼法，成功制备出 Φ28 mm×70 mm 的 CdSe 单晶棒：在 2–16 μm 范围透过率 68–70%、吸收系数低至 0.04 cm⁻¹，2.09 μm 激光损伤阈值（LIDT）达 56 MW cm⁻²，比同波段主流 AgGaSe₂ 晶体高 3 倍，为宽调谐光参量振荡器（OPO）、激光对抗及遥感探测提供了新的核心材料选择。

一、CdSe 的“天赋”与“痛点”
CdSe 拥有 0.75–25 μm 超宽透明窗口、适中非线性系数（d₃₃≈36 pm V⁻¹）和较高硬度（Mohs 3.25），理论上可覆盖 8–21 μm 远红外。然而 Se 元素高温蒸气压高、易分解，晶体生长常出现成分偏离、裂纹与多晶，大尺寸单晶难以获得。
二、热力学算清“分解账”
作者首先计算 CdSe 分解反应 CdSe(s/l) ⇌ Cd(g) + ½Se₂(g) 的平衡常数 K_p：

• 在 1250 °C、常压下分解率 α≈10⁻³；
• 压力提高 20 倍 → α 降至 5 %，K_x 仅 1 %；
• 温度每升高 100 °C，α 仅增加 <5 %。
  结论：加压比升温更能抑制分解，于是选定 1 MPa N₂、1250 °C 作为生长窗口，兼顾设备安全与抑制挥发。
  

三、生长流程“四连击”

• 预合成：两温区炉 1270 °C/12 h，一次出料 200 g 6N 多晶；
• 装炉：p-BN 坩埚→Al₂O₃外坩埚→BN 压块减自由体积，腔体反复抽充 N₂；
• 布里奇曼：双加热区 5–8 °C cm⁻¹ 梯度，0.4–1.2 mm h⁻¹ 下降，50 h 恒温；
• 降温：两周缓慢退火，得到完整单晶锭，切出 6–7 mm 厚片无开裂。
  

四、性能“体检”报告

• 结构：六角相，(100)/(002) 摇摆曲线半高宽 0.08°/0.06°，显示高结晶完整性；
• 成分：EDS 平均 CdSe₀.₉₇₅，轴向 9 点离散 <1 at%，高压有效抑制 Se 损失；
• 光学：2.5 mm 片在 2–16 μm 平均透过 70%，吸收系数 0.04–0.05 cm⁻¹；带边 732 nm（1.69 eV）；
• 激光损伤：2.09 μm、46 ns、1-on-1 测试，CdSe 表面 LIDT 56 MW cm⁻²，同条件 AgGaSe₂ 仅 18 MW cm⁻²；宽禁带与无银离子光暗化共同提升抗损伤能力。
  

五、应用前景

• 长波 OPO：CdSe OPO 已报道 12.07 μm 输出 170 mW，新晶体尺寸与质量有望把功率推至瓦级；
• 激光对抗：8–12 μm 可调谐高功率源，用于红外定向干扰；
• 直接激光介质：Cr²⁺/Fe²⁺:CdSe 已实现 2.8–6 μm 可调谐激光，大尺寸基板将简化热管理、提升斜效率。
  

六、结语
通过“热力学指导压力-温度窗口”与“垂直布里奇曼”组合，团队首次把 CdSe 单晶扩大到 28 mm 级，并保持 10⁻² cm⁻¹ 级低损耗与 10¹ MW cm⁻² 级高阈值。该成果不仅填补了国内中远红外 NLO 晶体尺寸空白，也为 8–12 μm 高功率、宽调谐激光系统提供了可工程化的核心材料。下一步，通过抗反射镀膜、掺杂能带工程与复合键合技术，CdSe 有望走向千瓦级 OPO、超连续谱及太赫兹前沿应用，成为名副其实的“红外硅”。