正如计算机从一间房到手掌大小，改变了我们的生活，小型化光源长久以来是激光科学家的不懈追求。近日，中国科学院上海光学精密机械研究所李儒新院士和田野研究员团队，在小型化自由电子相干光源领域取得突破性进展。研究人员采用超快光学技术，在国际上第一次直接“拍摄”到自由电子受激辐射放大的动态全过程，对于发展小型化/集成化的高功率自由电子相干光源具有重要意义。相关研究于2022年11月3日发表于国际学术期刊《自然》。
【一个亟待解决的问题】
光源是人类探索未知世界最重要的工具之一，40余项诺贝尔奖与光源技术和应用直接相关。
近年来，作为半导体集成电路基础的微纳制造工艺不断进步，使集成化的自由电子光源成为可能。在自由空间传输的光，一般需要以光学晶体为介质，这就像借助充电宝，光的能量得以被放大。然而，晶体如同一个密室，科学家很难直接观测到光是如何放大的。波导表面光场则完全不同，整个增益放大过程全程展现在表面，可以直接被观测。
相比我们目光所及的自由空间可见光场，波导表面光场有着亚波长和近场电压增强的优异特性。亚波长的尺寸小于电磁波，这就好比把电场加载到一根针上，其尖端会发生放电，也就是近场电压增强。正是有着这些优异特性，波导表面光场近年来逐步应用于新一代无线通信、纳米尺度的成像与探测等领域，有望带来变革性的技术影响。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，但都受限于低耦合效率导致的弱光场能量，进而限制了其在上述领域的应用。因此，发展高功率光源是该领域亟待解决的问题。
【另辟蹊径的新“赛道”】
当绝大多数人试图在自由空间解决高功率光源这一问题时，上海光机所研究团队另辟蹊径提出了“电子能否将表面光放大”的创新思路。
对于这一前人未曾有过的设想，他们紧紧抓住乍现的灵感，开始了最艰难的原理设计。“当电子像仪仗队一样整齐划一，就能产生更大的功率。”田野告诉解放日报·上观新闻记者，如果把表面光上的电子，看成是水面上划龙舟的水手，谁划的波浪大，产生的功率或辐射的能量就越高，谁就赢得比赛。无疑，最有效的策略是，所有水手动作一致往一个方向使劲，这种同频共振（相干性）就能划出更大的波浪。反之，如果划动方向不一致，水波涟漪混乱，龙舟的速度就会慢下来。
小型化自由电子相干光源
历经5年的探索，该团队不仅拍摄到了“水手划龙舟”的动态全过程，还开辟了一条新“赛道”，将光能量放大了4个数量级。以往为了产生波浪，要么直接把水手扔到水面激发浪花，要么注入新的水源（激光）引发浪花，但这两种方案的缺点是效率很低，产生的浪花也很小。
未来，研究团队将基于这一全新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。
本文作者：黄海华
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