小型化自由電子相干光源研究取得新進展

近日，《自然》發表中國科學院院士李儒新和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研究員田野團隊在小型化自由電子相干光源研究領域取得的最新成果。研究團隊在實驗中探索飛秒激光驅動超短電子脈沖泵浦表面等離極化激元（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。

“這項研究關注自由電子與表面模式光場作用的基礎研究，在科學原理上，我們創新發現了表面模式光波經歷相干放大演變為激光的過程。”田野說。基于自由電子輻射的光源可以脫離晶體或其他增益介質的束縛，不僅能夠產生自由空間光輻射，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。

目前，國際上產生表面光場主要有電子直接激發與波導耦合兩種方式，然而不論是何種方式，產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，發展相干的高功率SPP光源是該領域亟待解決的問題。

圍繞小型化自由電子相干光源，研究團隊展開飛秒激光驅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、能量及頻譜的記錄，首次動態演示了SPP受激輻射放大的動力學過程，并揭示了SPP經歷了高增益自由電子激光中超輻射、指數增長和飽和等三階段的受激輻射光放大過程。

該研究創新發展了自由電子泵浦實現SPP相干放大途徑，驗證了自由電子即可泵浦表面等離極化激元這種表面模式光并實現相干放大。