上海科学家在小型化自由电子相干光源研究中获突破，成果发表于《自然》

光源是人类探索未知世界最重要的工具，科学研究历史中40余项诺贝尔奖与光源技术和应用直接相关 。

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室李儒新院士和田野研究员团队在小型化自由电子相干光源研究领域取得突破性进展。

小型化自由电子相干光源实验方案示意图。本文均为 上海光机所 供图

研究团队实验探索飞秒激光驱动的超短电子脉冲泵浦表面等离极化激元（surface plasmon polariton，SPP）的动力学过程，通过对自由电子脉冲泵浦SPP相干放大的动态过程观测，阐述了自由电子与SPP作用过程中的受激放大机理。该项研究采用超快光学技术探测了自由电子受激辐射放大的全过程，研究成果指明了采用自由电子泵浦SPP实现其相干放大的全新途径，对于发展小型化/集成化的相干光源具有重要意义。

SPP受激辐射放大的实空间演化

相关研究成果于2022年11月3日发表于《自然》（Nature）杂志。回顾激光器的发展历程，提高激光的辐射功率、追求更宽可调谐的频谱，以及实现体积更小、成本更低的光源长久以来一直都是激光科学领域的不懈追求。常见的激光装置，如红宝石激光器等一般需要依赖光学晶体等增益介质来实现激光的输出。

而基于自由电子辐射的光源则可以脱离晶体或其它增益介质的束缚，不仅能够产生自由空间光辐射，也可在波导表面形成一类束缚于波导表面光场模式的光源。

相比自由空间中传播的光场，以SPP为代表的表面光场具有亚波长压缩和近场增强的优异特性，近年来已逐步应用于新一代无线通信、微纳尺度的成像与探测等诸多领域，并有望为集成光电子器件的开发以及光谱探测、传感、信息处理等领域的应用带来变革性的技术影响。

目前国际上产生表面光场主要有电子直接激发与波导耦合两种方式，然而不论对于何种方式，所产生的表面光场都受限于低耦合效率导致的弱光场能量，进而限制了SPP在上述领域的应用。因此，发展相干的高功率SPP光源是该领域亟待解决的问题。

近年来，作为半导体集成电路基础的微纳制造工艺不断进步，使集成化的自由电子光源成为可能。围绕小型化自由电子相干光源，研究团队展开飞秒激光驱动的超短电子脉冲泵浦SPP种子研究，采用超快光学泵浦-探测技术，观测到自由电子脉冲对SPP的相干放大。

研究团队实验通过对SPP的电磁场时空波形、能量以及频谱的记录，首次动态演示了SPP受激辐射放大的动力学过程，并揭示了SPP经历了高增益自由电子激光中超辐射、指数增长和饱和等三阶段的受激辐射光放大过程。该项研究创新发展了自由电子泵浦实现SPP相干放大的全新途径，在光谱探测、传感、信息处理等应用领域具有重大应用价值。

SPP能量增益的三个阶段

小型化自由电子相干光源

该成果的实现得益于研究团队在小型化自由电子光源领域中的长期积累，如团队相继发现了微型电子波荡器辐射(Nature Photonics，2017)、激光调制阿秒电子脉冲序列(Nature Photonics，2020)等新原理，相关研究成果分别被评为“2017年度中国光学十大进展”和“2021年度中国光学十大进展”。

研究团队照片

未来，研究团队将基于这一全新技术进一步发展小型化/集成化的相干光源，并拓展其在光谱探测、传感、信息处理领域的交叉应用。