光源是人類探索未知世界最重要的工具，科學(xué)研究歷史中40余項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)與光源技術(shù)和應(yīng)用直接相關(guān) 。

近日，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李儒新院士和田野研究員團(tuán)隊(duì)在小型化自由電子相干光源研究領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。

小型化自由電子相干光源實(shí)驗(yàn)方案示意圖。本文均為 上海光機(jī)所 供圖

研究團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)探索飛秒激光驅(qū)動(dòng)的超短電子脈沖泵浦表面等離極化激元（surface plasmon polariton，SPP）的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，通過(guò)對(duì)自由電子脈沖泵浦SPP相干放大的動(dòng)態(tài)過(guò)程觀測(cè)，闡述了自由電子與SPP作用過(guò)程中的受激放大機(jī)理。該項(xiàng)研究采用超快光學(xué)技術(shù)探測(cè)了自由電子受激輻射放大的全過(guò)程，研究成果指明了采用自由電子泵浦SPP實(shí)現(xiàn)其相干放大的全新途徑，對(duì)于發(fā)展小型化/集成化的相干光源具有重要意義。

SPP受激輻射放大的實(shí)空間演化

相關(guān)研究成果于2022年11月3日發(fā)表于《自然》（Nature）雜志。回顧激光器的發(fā)展歷程，提高激光的輻射功率、追求更寬可調(diào)諧的頻譜，以及實(shí)現(xiàn)體積更小、成本更低的光源長(zhǎng)久以來(lái)一直都是激光科學(xué)領(lǐng)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(xué)晶體等增益介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)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(zhì)的束縛，不僅能夠產(chǎn)生自由空間光輻射，也可在波導(dǎo)表面形成一類束縛于波導(dǎo)表面光場(chǎng)模式的光源。

相比自由空間中傳播的光場(chǎng)，以SPP為代表的表面光場(chǎng)具有亞波長(zhǎng)壓縮和近場(chǎng)增強(qiáng)的優(yōu)異特性，近年來(lái)已逐步應(yīng)用于新一代無(wú)線通信、微納尺度的成像與探測(cè)等諸多領(lǐng)域，并有望為集成光電子器件的開發(fā)以及光譜探測(cè)、傳感、信息處理等領(lǐng)域的應(yīng)用帶來(lái)變革性的技術(shù)影響。

目前國(guó)際上產(chǎn)生表面光場(chǎng)主要有電子直接激發(fā)與波導(dǎo)耦合兩種方式，然而不論對(duì)于何種方式，所產(chǎn)生的表面光場(chǎng)都受限于低耦合效率導(dǎo)致的弱光場(chǎng)能量，進(jìn)而限制了SPP在上述領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，發(fā)展相干的高功率SPP光源是該領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題。

近年來(lái)，作為半導(dǎo)體集成電路基礎(chǔ)的微納制造工藝不斷進(jìn)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(tuán)隊(duì)展開飛秒激光驅(qū)動(dòng)的超短電子脈沖泵浦SPP種子研究，采用超快光學(xué)泵浦-探測(cè)技術(shù)，觀測(cè)到自由電子脈沖對(duì)SPP的相干放大。

研究團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)SPP的電磁場(chǎng)時(shí)空波形、能量以及頻譜的記錄，首次動(dòng)態(tài)演示了SPP受激輻射放大的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，并揭示了SPP經(jīng)歷了高增益自由電子激光中超輻射、指數(shù)增長(zhǎng)和飽和等三階段的受激輻射光放大過(guò)程。該項(xiàng)研究創(chuàng)新發(fā)展了自由電子泵浦實(shí)現(xiàn)SPP相干放大的全新途徑，在光譜探測(cè)、傳感、信息處理等應(yīng)用領(lǐng)域具有重大應(yīng)用價(jià)值。

SPP能量增益的三個(gè)階段

小型化自由電子相干光源

該成果的實(shí)現(xiàn)得益于研究團(tuán)隊(duì)在小型化自由電子光源領(lǐng)域中的長(zhǎng)期積累，如團(tuán)隊(duì)相繼發(fā)現(xiàn)了微型電子波蕩器輻射(Nature Photonics，2017)、激光調(diào)制阿秒電子脈沖序列(Nature Photonics，2020)等新原理，相關(guān)研究成果分別被評(píng)為“2017年度中國(guó)光學(xué)十大進(jìn)展”和“2021年度中國(guó)光學(xué)十大進(jìn)展”。

研究團(tuán)隊(duì)照片

未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)將基于這一全新技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展小型化/集成化的相干光源，并拓展其在光譜探測(cè)、傳感、信息處理領(lǐng)域的交叉應(yīng)用。