正如計(jì)算機(jī)從一間房到手掌大小，改變了我們的生活，小型化光源長(zhǎng)久以來(lái)是激光科學(xué)家的不懈追求。近日，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所李儒新院士和田野研究員團(tuán)隊(duì)，在小型化自由電子相干光源領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。研究人員采用超快光學(xué)技術(shù)，在國(guó)際上第一次直接“拍攝”到自由電子受激輻射放大的動(dòng)態(tài)全過(guò)程，對(duì)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(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》。

【一個(gè)亟待解決的問(wèn)題】

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

近年來(lái)，作為半導(dǎo)體集成電路基礎(chǔ)的微納制造工藝不斷進(jìn)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?，一般需要以光學(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(gè)密室，科學(xué)家很難直接觀測(cè)到光是如何放大的。波導(dǎo)表面光場(chǎng)則完全不同，整個(gè)增益放大過(guò)程全程展現(xiàn)在表面，可以直接被觀測(cè)。

相比我們目光所及的自由空間可見(jiàn)光場(chǎng)，波導(dǎo)表面光場(chǎng)有著亞波長(zhǎng)和近場(chǎng)電壓增強(qiáng)的優(yōu)異特性。亞波長(zhǎng)的尺寸小于電磁波，這就好比把電場(chǎng)加載到一根針上，其尖端會(huì)發(fā)生放電，也就是近場(chǎng)電壓增強(qiáng)。正是有著這些優(yōu)異特性，波導(dǎo)表面光場(chǎng)近年來(lái)逐步應(yīng)用于新一代無(wú)線通信、納米尺度的成像與探測(cè)等領(lǐng)域，有望帶來(lái)變革性的技術(shù)影響。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，但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(wèn)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(wèn)題時(shí)，上海光機(jī)所研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑提出了“電子能否將表面光放大”的創(chuàng)新思路。

對(duì)于這一前人未曾有過(guò)的設(shè)想，他們緊緊抓住乍現(xiàn)的靈感，開(kāi)始了最艱難的原理設(shè)計(jì)?！爱?dāng)電子像儀仗隊(duì)一樣整齊劃一，就能產(chǎn)生更大的功率。”田野告訴解放日?qǐng)?bào)·上觀新聞?dòng)浾撸?strong>如果把表面光上的電子，看成是水面上劃龍舟的水手，誰(shuí)劃的波浪大，產(chǎn)生的功率或輻射的能量就越高，誰(shuí)就贏得比賽。無(wú)疑，最有效的策略是，所有水手動(dòng)作一致往一個(gè)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(dòng)方向不一致，水波漣漪混亂，龍舟的速度就會(huì)慢下來(lái)。

小型化自由電子相干光源

歷經(jīng)5年的探索，該團(tuán)隊(duì)不僅拍攝到了“水手劃龍舟”的動(dòng)態(tài)全過(guò)程，還開(kāi)辟了一條新“賽道”，將光能量放大了4個(gè)數(shù)量級(jí)。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(diǎn)是效率很低，產(chǎn)生的浪花也很小。

未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)將基于這一全新技術(shù)進(jìn)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(cè)、傳感、信息處理領(lǐng)域的交叉應(yīng)用。