小型化自由電子相干光源研究取得新進(jìn)展

近日，《自然》發(fā)表中國(guó)科學(xué)院院士李儒新和中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員田野團(tuán)隊(duì)在小型化自由電子相干光源研究領(lǐng)域取得的最新成果。研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中探索飛秒激光驅(qū)動(dòng)超短電子脈沖泵浦表面等離極化激元（SPP）的動(dòng)力學(xué)過程，通過對(duì)自由電子脈沖泵浦SPP相干放大的動(dòng)態(tài)過程觀測(cè)，闡述了自由電子與SPP作用過程中的受激放大機(jī)理。

“這項(xiàng)研究關(guān)注自由電子與表面模式光場(chǎng)作用的基礎(chǔ)研究，在科學(xué)原理上，我們創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)了表面模式光波經(jīng)歷相干放大演變?yōu)榧す獾倪^程?！碧镆罢f?；谧杂呻娮虞椛涞墓庠纯梢悦撾x晶體或其他增益介質(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(chǎng)模式的光源。

目前，國(guó)際上產(chǎn)生表面光場(chǎng)主要有電子直接激發(fā)與波導(dǎo)耦合兩種方式，然而不論是何種方式，產(chǎn)生的表面光場(chǎng)都受限于低耦合效率導(dǎo)致的弱光場(chǎng)能量，進(jìn)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。

圍繞小型化自由電子相干光源，研究團(tuán)隊(duì)展開飛秒激光驅(qū)動(dòng)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(cè)技術(shù)，觀測(cè)到自由電子脈沖對(duì)SPP的相干放大。實(shí)驗(yàn)通過對(duì)SPP的電磁場(chǎng)時(shí)空波形、能量及頻譜的記錄，首次動(dòng)態(tài)演示了SPP受激輻射放大的動(dòng)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(zhǎng)和飽和等三階段的受激輻射光放大過程。

該研究創(chuàng)新發(fā)展了自由電子泵浦實(shí)現(xiàn)SPP相干放大途徑，驗(yàn)證了自由電子即可泵浦表面等離極化激元這種表面模式光并實(shí)現(xiàn)相干放大。