“自由电子”小型化自由电子相干光源研究取得新进展

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本报讯 近日，《自然》发表中国科学院院士李儒新和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田野团队在小型化自由电子相干光源研究领域取得的最新成果。研究团队在实验中探索飞秒激光驱动超短电子脉冲泵浦表面等离极化激元（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。

“这项研究关注自由电子与表面模式光场作用的基础研究，在科学原理上，我们创新发现了表面模式光波经历相干放大演变为激光的过程。”田野告诉《中国科学报》。基于自由电子辐射的光源可以脱离晶体或其他增益介质的束缚，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。

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，然而不论是何种方式，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。

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。

该研究创新发展了自由电子泵浦实现SPP相干放大途径，验证了自由电子即可泵浦表面等离极化激元这种表面模式光并实现相干放大。“这为高亮度的表面等离极化激元（表面光）的光源提供了全新的技术途径。”田野说，这种技术在集成光电器件、传感、通信等领域具有重要的应用价值。”（张双虎 黄辛）

相关论文信息：

http://doi.org/10.1038/s41586-022-05239-2

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