近日，中國科學(xué)院院士、上海光學(xué)精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室研究員李儒新與研究員田野團隊在小型化自由電子相干光源研究領(lǐng)域取得進(jìn)展。研究團隊實驗探索飛秒激光驅(qū)動的超短電子脈沖泵浦表面等離極化激元（surface plasmon polariton，SPP）的動力學(xué)過程，通過對自由電子脈沖泵浦SPP相干放大的動態(tài)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。該研究采用超快光學(xué)技術(shù)探測了自由電子受激輻射放大的全過程，指明了采用自由電子泵浦SPP實現(xiàn)其相干放大的全新途徑，對發(fā)展小型化/集成化的相干光源具有重要意義。11月3日，相關(guān)研究成果于發(fā)表在《自然》（Nature）上。 

　　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，以及實現(xiàn)體積更小、成本更低的光源一直都是激光科學(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)來實現(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(yōu)異特性，近年來已逐步應(yīng)用于新一代無線通信、納米尺度的成像與探測等諸多領(lǐng)域，并有望為集成光電子器件的開發(fā)以及光譜探測、傳感、信息處理等領(lǐng)域的應(yīng)用帶來變革性的技術(shù)影響。目前，國際上產(chǎn)生表面光場主要有電子直接激發(fā)與波導(dǎo)耦合兩種方式，但不論采用何種方式，所產(chǎn)生的表面光場都受限于低耦合效率導(dǎo)致的弱光場能量，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)域亟待解決的問題。

　　近年來，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，科研團隊展開飛秒激光驅(qū)動的超短電子脈沖泵浦SPP種子研究，采用超快光學(xué)泵浦-探測技術(shù)，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、頻譜的記錄，首次動態(tài)演示了SPP受激輻射放大的動力學(xué)過程，并揭示SPP經(jīng)歷了高增益自由電子激光中超輻射、指數(shù)增長和飽及等三階段的受激輻射光放大過程。該研究發(fā)展了自由電子泵浦實現(xiàn)SPP相干放大的新途徑，在光譜探測、傳感、信息處理等應(yīng)用領(lǐng)域頗具應(yīng)用價值。

　　該成果的實現(xiàn)得益于研究團隊在小型化自由電子光源領(lǐng)域中的長期積累，例如，團隊相繼發(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)研究成果分別被評為“2017年度中國光學(xué)十大進(jìn)展”和“2021年度中國光學(xué)十大進(jìn)展”。研究團隊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，并將拓展到在光譜探測、傳感、信息處理領(lǐng)域的交叉應(yīng)用。

　　研究工作得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金項目、上海市“基礎(chǔ)研究特區(qū)計劃”項目、中科院基礎(chǔ)前沿科學(xué)研究計劃“從0到1”原始創(chuàng)新項目、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會等的支持。

　　論文鏈接 

　　小型化自由電子相干光源實驗方案示意圖 

　　SPP受激輻射放大的實空間演化 

　　SPP能量增益的三個階段 

　　小型化自由電子相干光源