11月3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研究员李儒新和田野团队在小型化自由电子相干光源研究领域取得的突破性成果登上《自然》杂志。
小型化自由电子相干光源。上海光机所供图
该成果采用超快光学技术首次探测了表面光经历受激辐射放大形成表面激光的全过程，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大意义。
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、纳米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技术影响。因此，发展相干的高功率SPP光源成为亟待解决的问题。
“通过这项技术，我们把光源转移到波导表面，从而研究表面光。在表面光提供的平台上，我们目睹了‘光种子’是如何在注入电子的激励下一点点演化、增长的全过程。”研究团队负责人田野感慨道，当大家第一次观测到全过程，那种兴奋是难以描述的。
如果把这个过程看成是水面上比赛划龙舟的话，电子相当于水手，谁划的波浪大，即产生的功率或辐射能量高，谁就赢得比赛。田野打了个比方，“所有水手统一节奏、向一个方向使劲，也就是相干，就能划出更大的波浪，形成强大的光源。”
得益于在小型化自由电子光源领域中的长期积累，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。
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。
这是该团队在小型化自由电子相干光源研究中，继2017年至2020年在《自然光子》期刊上发表两项重要成果后的又一重要工作进展。未来，研究团队将基于该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。
(责任编辑：韩梦晨)
