回顧激光器的發(fā)展歷程，提高激光的輻射功率、追求更寬可調(diào)諧的頻譜，以及實現(xiàn)體積更小、成本更低的光源長久以來一直都是激光科學(xué)領(lǐng)域的不懈追求。常見的激光裝置，如紅寶石激光器等一般需要依賴光學(xué)晶體等增益介質(zhì)來實現(xiàn)激光的輸出。而基于自由電子輻射的光源則可以脫離晶體或其它增益介質(zhì)的束縛，不僅能夠產(chǎn)生自由空間光輻射，也可在波導(dǎo)表面形成一類束縛于波導(dǎo)表面光場模式的光源。

相比自由空間中傳播的光場，以SPP為代表的表面光場具有亞波長壓縮和近場增強的優(yōu)異特性，近年來已逐步應(yīng)用于新一代無線通信、納米尺度的成像與探測等諸多領(lǐng)域，并有望為集成光電子器件的開發(fā)以及光譜探測、傳感、信息處理等領(lǐng)域的應(yīng)用帶來變革性的技術(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，然而不論對于何種方式，所產(chǎn)生的表面光場都受限于低耦合效率導(dǎo)致的弱光場能量，進而限制了SPP在上述領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，發(fā)展相干的高功率SPP光源是該領(lǐng)域亟待解決的問題。

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。圍繞小型化自由電子相干光源，研究團隊展開飛秒激光驅(qū)動的超短電子脈沖泵浦SPP種子研究，采用超快光學(xué)泵浦-探測技術(shù)，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、能量以及頻譜的記錄，首次動態(tài)演示了SPP受激輻射放大的動力學(xué)過程，并揭示了SPP經(jīng)歷了高增益自由電子激光中超輻射、指數(shù)增長和飽和等三階段的受激輻射光放大過程。該項研究創(chuàng)新發(fā)展了自由電子泵浦實現(xiàn)SPP相干放大的全新途徑，在光譜探測、傳感、信息處理等應(yīng)用領(lǐng)域具有重大應(yīng)用價值。

該成果的實現(xiàn)得益于研究團隊在小型化自由電子光源領(lǐng)域中的長期積累，如團隊相繼發(fā)現(xiàn)了微型電子波蕩器輻射(Nature Photonics，2017)、激光調(diào)制阿秒電子脈沖序列(Nature Photonics，2020)等新原理，相關(guān)研究成果分別被評為“2017年度中國光學(xué)十大進展”和“2021年度中國光學(xué)十大進展”。