Nature！中科院院士在该领域取得重大进展

近日，中国科学院院士、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与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进展。相关研究成果于发表在《自然》（Nature）上。

研究团队实验探索飞秒激光驱动的超短电子脉冲泵浦表面等离极化激元（surface plasmon polariton，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。该研究采用超快光学技术探测了自由电子受激辐射放大的全过程，指明了采用自由电子泵浦SPP实现其相干放大的全新途径，对发展小型化/集成化的相干光源具有重要意义。

回顾激光器的发展历程，提高激光的辐射功率、追求更宽可调谐的频谱，以及实现体积更小、成本更低的光源一直都是激光科学领域的不懈追求。常见的激光装置，如红宝石激光器等一般需要依赖光学晶体等增益介质来实现激光的输出。而基于自由电子辐射的光源则可以脱离晶体或其它增益介质的束缚，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。

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，但不论采用何种方式，所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。

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。围绕小型化自由电子相干光源，科研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、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SPP经历了高增益自由电子激光中超辐射、指数增长和饱及等三阶段的受激辐射光放大过程。该研究发展了自由电子泵浦实现SPP相干放大的新途径，在光谱探测、传感、信息处理等应用领域颇具应用价值。

技术方案：

1、实现了相干SPP放大通过将飞秒激光脉冲聚焦到裸铁丝上来实现SPP放大过程，实现了THz SPP种子的加速形成，其伴随的宽带辐射与电子发射过程同步，与波导结构模式匹配。

2、演示了时空分辨SPP测量实验通过光学近场成像演示了相干THz SPP放大，使用法拉第几何结构研究了SPP场分布，通过扫描泵浦光束和探测光束之间的相对时间延迟，展示了时空分辨SPP测量。3、分析了SPP放大过程空间和光谱特性作者将THz SPP分布进行处理，分析了SPP动力学过程，探究了THz SPP空间分布的序列以及隐藏在电子-SPP相互作用中的光谱信息。4、揭示了自由电子和光场之间潜在的能量交换作者推导了SPP场内点状电子源的辐射标度和电子能量损失，证实了优化的电子脉冲将辐射的THz SPP功率增强了100个数量级。

小型化自由电子相干光源实验方案示意图

技术优势：

1、实现了太赫兹频率下的SPP光源

将SPP频率范围从红外扩展到太赫兹将拓宽其应用范围，本文提出了通过自由电子受激发射直接进入THz SPP的相干THz SPP光源概念。

2、证明了THz SPP的时空特征及放大动力学

通过实验证明了THz SPP在磁和电近场演化方面的时空分辨产生、放大和去相位过程，并明确提出了相干相互作用长度超过1mm的SPP放大动力学。

3、理论上证实了辐射功率可以进一步放大100个数量级

作者从理论上表明，在相位匹配条件下，辐射功率可以进一步放大100个数量级，为自由电子SPP激光器奠定了基础。

4、开发了采用自由电子泵浦SPP实现其相干放大的全新途径

采用超快光学技术探测了自由电子受激辐射放大的全过程，对于发展小型化/集成化的相干光源具有重要意义。

李儒新院士简历

李儒新院士，光学专家。中国科学院上海光学精密机械研究所研究员。1969年10月出生于福建省建瓯市，籍贯福建建瓯。1990年毕业于天津大学精密仪器系光电子技术专业，1995年于中国科学院上海光学精密机械研究所获博士学位。主要从事超高峰值功率超短脉冲激光与强场激光物理研究。在超高峰值功率超短脉冲激光方面，与合作者一道解决了大口径高增益宽带激光放大器的寄生振荡抑制等关键科学技术问题，建成了拍瓦激光实验装置并取得重要应用成果。在强场激光物理方面，与合作者一道在激光尾波场的级联加速和高性能高能电子束产生、基于亚周期时间尺度相干控制的强场高次谐波与阿秒光源产生等方面取得重要成果。曾获国家自然科学二等奖、国家科技进步一等奖、中国青年科技奖等。2017年当选为中国科学院院士。

以上内容来源：中国科学院

论文链接：

Coherent surface plasmon polariton amplification via free-electron pumping | Nature

转自：“易美云学术”微信公众号

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