正如計算機從一間房到手掌大小，改變了我們的生活，小型化光源長久以來是激光科學(xué)家的不懈追求。近日，中國科學(xué)院上海光學(xué)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干光源領(lǐng)域取得突破性進展。研究人員采用超快光學(xué)技術(shù)，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(tài)全過程，對于發(fā)展小型化/集成化的高功率自由電子相干光源具有重要意義。相關(guān)研究于2022年11月3日發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然》。

【一個亟待解決的問題】

光源是人類探索未知世界最重要的工具之一，40余項諾貝爾獎與光源技術(shù)和應(yīng)用直接相關(guān)。

近年來，作為半導(dǎo)體集成電路基礎(chǔ)的微納制造工藝不斷進步，使集成化的自由電子光源成為可能。在自由空間傳輸?shù)墓猓话阈枰怨鈱W(xué)晶體為介質(zhì)，這就像借助充電寶，光的能量得以被放大。然而，晶體如同一個密室，科學(xué)家很難直接觀測到光是如何放大的。波導(dǎo)表面光場則完全不同，整個增益放大過程全程展現(xiàn)在表面，可以直接被觀測。

相比我們目光所及的自由空間可見光場，波導(dǎo)表面光場有著亞波長和近場電壓增強的優(yōu)異特性。亞波長的尺寸小于電磁波，這就好比把電場加載到一根針上，其尖端會發(fā)生放電，也就是近場電壓增強。正是有著這些優(yōu)異特性，波導(dǎo)表面光場近年來逐步應(yīng)用于新一代無線通信、納米尺度的成像與探測等領(lǐng)域，有望帶來變革性的技術(shù)影響。目前國際上產(chǎn)生表面光場主要有電子直接激發(fā)與波導(dǎo)耦合兩種方式，但都受限于低耦合效率導(dǎo)致的弱光場能量，進而限制了其在上述領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，發(fā)展高功率光源是該領(lǐng)域亟待解決的問題。

【另辟蹊徑的新“賽道”】

當(dāng)絕大多數(shù)人試圖在自由空間解決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“電子能否將表面光放大”的創(chuàng)新思路。

對于這一前人未曾有過的設(shè)想，他們緊緊抓住乍現(xiàn)的靈感，開始了最艱難的原理設(shè)計。“當(dāng)電子像儀仗隊一樣整齊劃一，就能產(chǎn)生更大的功率?！碧镆案嬖V解放日報·上觀新聞記者，如果把表面光上的電子，看成是水面上劃龍舟的水手，誰劃的波浪大，產(chǎn)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方向使勁，這種同頻共振（相干性）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，龍舟的速度就會慢下來。

小型化自由電子相干光源

歷經(jīng)5年的探索，該團隊不僅拍攝到了“水手劃龍舟”的動態(tài)全過程，還開辟了一條新“賽道”，將光能量放大了4個數(shù)量級。以往為了產(chǎn)生波浪，要么直接把水手扔到水面激發(fā)浪花，要么注入新的水源（激光）引發(fā)浪花，但這兩種方案的缺點是效率很低，產(chǎn)生的浪花也很小。

未來，研究團隊將基于這一全新技術(shù)進一步發(fā)展小型化/集成化的相干光源，并拓展其在光譜探測、傳感、信息處理領(lǐng)域的交叉應(yīng)用。