我國小型化自由電子相干光源研究獲突破

11月3日，《自然》雜志發表中科院院士李儒新和中科院上海光學精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室研究員田野團隊在小型化自由電子相干光源研究領域取得的最新成果。

研究團隊在實驗中探索飛秒激光驅動超短電子脈沖泵浦表面等離極化激元（SPP）的動力學過程，通過對自由電子脈沖泵浦SPP相干放大的動態過程觀測，闡述了自由電子與SPP作用過程中的受激放大機理。

田野（右二）和研究團隊      受訪者供圖

“這項研究關注自由電子與表面模式光場作用的基礎研究，在科學原理上，我們創新發現了表面模式光波經歷相干放大演變為激光的過程。”田野告訴《中國科學報》，“因為在晶體等增益介質內部是無法觀測這一過程的，而我們采用超快光技術，實現了表面光波如何經歷‘受激輻射光放大’即激光在實體空間產生過程的探測。”

回顧激光器的發展歷程，提高激光的輻射功率、追求更寬可調諧的頻譜，以及實現體積更小、成本更低的光源長久以來一直都是激光科學領域的不懈追求。

常見的激光裝置，如紅寶石激光器等一般需要依賴光學晶體等增益介質來實現激光的輸出。而基于自由電子輻射的光源則可以脫離晶體或其它增益介質的束縛，不僅能夠產生自由空間光輻射，也可在波導表面形成一類束縛于波導表面光場模式的光源。

相比自由空間中傳播的光場，以SPP為代表的表面光場具有亞波長壓縮和近場增強的優異特性，近年來已逐步應用于新一代無線通信、納米尺度的成像與探測等諸多領域，并有望為集成光電子器件的開發以及光譜探測、傳感、信息處理等領域的應用帶來變革性的技術。

目前國際上產生表面光場主要有電子直接激發與波導耦合兩種方式，然而不論對于何種方式，所產生的表面光場都受限于低耦合效率導致的弱光場能量，進而限制了SPP在上述領域的應用。因此，發展相干的高功率SPP光源是該領域亟待解決的問題。

近年來，作為半導體集成電路基礎的微納制造工藝不斷進步，使集成化的自由電子光源成為可能。圍繞小型化自由電子相干光源，研究團隊展開飛秒激光驅動的超短電子脈沖泵浦SPP種子研究，采用超快光學泵浦—探測技術，觀測到自由電子脈沖對SPP的相干放大。實驗通過對SPP的電磁場時空波形、能量以及頻譜的記錄，首次動態演示了SPP受激輻射放大的動力學過程，并揭示了SPP經歷了高增益自由電子激光中超輻射、指數增長和飽和等三階段的受激輻射光放大過程。

小型化自由電子相干光源      受訪者供圖

該研究創新發展了自由電子泵浦實現SPP相干放大途徑，驗證了自由電子即可泵浦表面等離極化激元這種表面模式光并實現相干放大。

“這為高亮度的表面等離極化激元（表面光）的光源提供了全新的技術途徑。”田野補充說，“這種技術對于發展小型化/集成化相干光源具有重大意義，在集成光電器件、傳感、通訊等領域具有重要的應用價值。”

論文審稿人認為：“該工作極具獨創性，其研究成果將對激光光學、納米光子學和固態物理學等多個學科領域引起極大的研究興趣……分析表明，在更有利的條件下，甚至可以實現類似激光的功率放大，（該成果）展示了非常好的應用前景。”

在小型化自由電子光源領域，該團隊有著長期積累。2017年，該他們發現了微型電子波蕩器輻射，該成果后入選“2017年度中國光學十大進展”。2020年，該團隊發現激光調制阿秒電子脈沖序列等新原理并在《自然—光子學》發表，此后被評為“2021年度中國光學十大進展”。

“未來，我們將基于這一新技術，進一步發展小型化/集成化相干光源，并拓展其在光譜探測、傳感、信息處理領域的交叉應用。”田野說。

相關論文信息：DOI:10.1038/s41586-022-05239-2