正如計算機從(cong) 一間房到手掌大小，改變了我們(men) 的生活，小型化光源長久以來是激光科學家的不懈追求。近日，中國科學院上海光學精密機械研究所李儒新院士和田野研究員團隊，在小型化自由電子相幹光源領域取得突破性進展。研究人員采用超快光學技術，在國際上第一次直接“拍攝”到自由電子受激輻射放大的動態全過程，對於(yu) 發展小型化/集成化的高功率自由電子相幹光源具有重要意義(yi) 。相關(guan) 研究於(yu) 2022年11月3日發表於(yu) 國際學術期刊《自然》。

【一個(ge) 亟待解決(jue) 的問題】

光源是人類探索未知世界最重要的工具之一，40餘(yu) 項諾貝爾獎與(yu) 光源技術和應用直接相關(guan) 。

近年來，作為(wei) 半導體(ti) 集成電路基礎的微納製造工藝不斷進步，使集成化的自由電子光源成為(wei) 可能。在自由空間傳(chuan) 輸的光，一般需要以光學晶體(ti) 為(wei) 介質，這就像借助充電寶，光的能量得以被放大。然而，晶體(ti) 如同一個(ge) 密室，科學家很難直接觀測到光是如何放大的。波導表麵光場則完全不同，整個(ge) 增益放大過程全程展現在表麵，可以直接被觀測。

相比我們(men) 目光所及的自由空間可見光場，波導表麵光場有著亞(ya) 波長和近場電壓增強的優(you) 異特性。亞(ya) 波長的尺寸小於(yu) 電磁波，這就好比把電場加載到一根針上，其尖端會(hui) 發生放電，也就是近場電壓增強。正是有著這些優(you) 異特性，波導表麵光場近年來逐步應用於(yu) 新一代無線通信、納米尺度的成像與(yu) 探測等領域，有望帶來變革性的技術影響。目前國際上產(chan) 生表麵光場主要有電子直接激發與(yu) 波導耦合兩(liang) 種方式，但都受限於(yu) 低耦合效率導致的弱光場能量，進而限製了其在上述領域的應用。因此，發展高功率光源是該領域亟待解決(jue) 的問題。

【另辟蹊徑的新“賽道”】

當絕大多數人試圖在自由空間解決(jue) 高功率光源這一問題時，上海光機所研究團隊另辟蹊徑提出了“電子能否將表麵光放大”的創新思路。

對於(yu) 這一前人未曾有過的設想，他們(men) 緊緊抓住乍現的靈感，開始了最艱難的原理設計。“當電子像儀(yi) 仗隊一樣整齊劃一，就能產(chan) 生更大的功率。”田野告訴解放日報·上觀新聞記者，如果把表麵光上的電子，看成是水麵上劃龍舟的水手，誰劃的波浪大，產(chan) 生的功率或輻射的能量就越高，誰就贏得比賽。無疑，最有效的策略是，所有水手動作一致往一個(ge) 方向使勁，這種同頻共振（相幹性）就能劃出更大的波浪。反之，如果劃動方向不一致，水波漣漪混亂(luan) ，龍舟的速度就會(hui) 慢下來。

小型化自由電子相幹光源

曆經5年的探索，該團隊不僅(jin) 拍攝到了“水手劃龍舟”的動態全過程，還開辟了一條新“賽道”，將光能量放大了4個(ge) 數量級。以往為(wei) 了產(chan) 生波浪，要麽(me) 直接把水手扔到水麵激發浪花，要麽(me) 注入新的水源（激光）引發浪花，但這兩(liang) 種方案的缺點是效率很低，產(chan) 生的浪花也很小。

未來，研究團隊將基於(yu) 這一全新技術進一步發展小型化/集成化的相幹光源，並拓展其在光譜探測、傳(chuan) 感、信息處理領域的交叉應用。