近日，中國科學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李儒新院士和田野研究員團隊在小型化自由電子相干光源研究領域取得突破性進展。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。該項研究采用超快光學技術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(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(yōu)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(fā)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致的弱光場能量，進而限制了SPP在上述領域的應用。因此，發(fā)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(qū)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(tài)演示了SPP受激輻射放大的動力學過程，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。該項研究創(chuàng)新發(fā)展了自由電子泵浦實現(xiàn)SPP相干放大的全新途徑，在光譜探測、傳感、信息處理等應用領域具有重大應用價值。

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域中的長期積累，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，相關研究成果分別被評為“2017年度中國光學十大進展”和“2021年度中國光學十大進展”。

未來，研究團隊將基于這一全新技術進一步發(fā)展小型化/集成化的相干光源，并拓展其在光譜探測、傳感、信息處理領域的交叉應用。

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

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

研究團隊青年骨干照片

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

（來源：中國科學院上海光學精密機械研究所）