近日，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場激光物理國家重點(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。研究團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)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(jī)理。該項(xiàng)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，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，對于發(fā)展小型化/集成化的相干光源具有重要意義。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、成本更低的光源長久以來一直都是激光科學(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(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(qiáng)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，然而不論對于何種方式，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，研究團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)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(tài)演示了SPP受激輻射放大的動力學(xué)過程，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)增長和飽和等三階段的受激輻射光放大過程。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、傳感、信息處理等應(yīng)用領(lǐng)域具有重大應(yīng)用價值。

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”。

未來，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、傳感、信息處理領(lǐng)域的交叉應(yīng)用。

小型化自由電子相干光源實(shí)驗(yàn)方案示意圖

SPP受激輻射放大的實(shí)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

相關(guān)的研究工作得到了中科院先導(dǎo)專項(xiàng)（B類）、國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金項(xiàng)目、基礎(chǔ)研究特區(qū)項(xiàng)目、中科院原始創(chuàng)新0到1項(xiàng)目、中科院青促會會員和上海市揚(yáng)帆計劃等項(xiàng)目的支持。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05239-2