光源是人類探索未知世界最重要得工具，科學(xué)研究歷史中40余項諾貝爾獎與光源技術(shù)和應(yīng)用直接相關(guān) 。
中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所強場激光物理China重點實驗室李儒新院士和田野研究員團(tuán)隊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驗方案示意圖。感謝均為 上海光機所 供圖
研究團(tuán)隊實驗探索飛秒激光驅(qū)動得超短電子脈沖泵浦表面等離極化激元（surface plasmon polariton，SPP）得動力學(xué)過程，通過對自由電子脈沖泵浦SPP相干放大得動態(tài)過程觀測，闡述了自由電子與SPP作用過程中得受激放大機理。該項研究采用超快光學(xué)技術(shù)探測了自由電子受激輻射放大得全過程，研究成果指明了采用自由電子泵浦SPP實現(xiàn)其相干放大得全新途徑，對于發(fā)展小型化/集成化得相干光源具有重要意義。
SPP受激輻射放大得實空間演化
相關(guān)研究成果于2022年11月3日發(fā)表于《自然》（Nature）雜志。回顧激光器得發(fā)展歷程，提高激光得輻射功率、追求更寬可調(diào)諧得頻譜，以及實現(xiàn)體積更小、成本更低得光源長久以來一直都是激光科學(xué)領(lǐng)域得不懈追求。常見得激光裝置，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)激光得輸出。
而基于自由電子輻射得光源則可以脫離晶體或其它增益介質(zhì)得束縛，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)表面光場模式得光源。
相比自由空間中傳播得光場，以SPP為代表得表面光場具有亞波長壓縮和近場增強得優(yōu)異特性，近年來已逐步應(yīng)用于新一代無線通信、微納尺度得成像與探測等諸多領(lǐng)域，并有望為集成光電子器件得開發(fā)以及光譜探測、傳感、信息處理等領(lǐng)域得應(yīng)用帶來變革性得技術(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)生得表面光場都受限于低耦合效率導(dǎo)致得弱光場能量，進(jìn)而限制了SPP在上述領(lǐng)域得應(yīng)用。因此，發(fā)展相干得高功率SPP光源是該領(lǐng)域亟待解決得問題。
近年來，作為半導(dǎo)體集成電路基礎(chǔ)得微納制造工藝不斷進(jìn)步，使集成化得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)隊展開飛秒激光驅(qū)動得超短電子脈沖泵浦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得相干放大。
研究團(tuán)隊實驗通過對SPP得電磁場時空波形、能量以及頻譜得記錄，首次動態(tài)演示了SPP受激輻射放大得動力學(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得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相干放大得全新途徑，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。
SPP能量增益得三個階段
小型化自由電子相干光源
該成果得實現(xiàn)得益于研究團(tuán)隊在小型化自由電子光源領(lǐng)域中得長期積累，如團(tuán)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，上年)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(tuán)隊照片
未來，研究團(tuán)隊將基于這一全新技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展小型化/集成化得相干光源，并拓展其在光譜探測、傳感、信息處理領(lǐng)域得交叉應(yīng)用。
