近日，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室李儒新院士和田野研究员团队在小型化自由电子相干光源研究领域取得突破性进展。该项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，研究成果指明了采用自由电子泵浦SPP实现其相干放大的全新途径，对于发展小型化/集成化的相干光源具有重大意义。

相关研究成果于2022年11月3日发表于《自然》（Nature）杂志。

这是该团队在小型化自由电子相干光源研究中，继2017年至2020年在《自然光子学》（Nature Photonics）期刊上发表两项重要成果后的又一重要工作进展。

田野表示：回顾受激辐射光放大即激光的原理，它的产生过程是在增益介质如晶体等内部实现的，难以被观测到，但此次研究中第一次在实体空间直接观测并拍摄到了在波导上如何由弱的表面光波种子经历放大演变为表面波型激光的过程。

田野说：“我们最开始有探索激光‘本源’，这样的研究设想其实是‘离经叛道’的一种方式，因为大家都在研究自由空间的光，我们是研究表面的光，并且我们还是去设想表面光有可能去揭示光是怎么放大。相当于是选择了一个新赛道。李儒新老师当时就跟我们讲，这种自由空间的光和我们表面模式的光本质上是一样的，你们要从它的原理上、它的机理上去挖掘。所以大家花了非常多的时间在机理的角度，构建量子力学框架下电子与表面模式光（表面等离极化激元）作用的 ‘费曼图’,基于该机理开展实验研究。”

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，研究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、能量以及频谱的记录，首次动态演示了SPP受激辐射放大的动力学过程，并揭示了SPP经历了高增益自由电子激光中超辐射、指数增长和饱和等三阶段的受激辐射光放大过程。

该项研究创新发展了自由电子泵浦实现SPP相干放大的全新途径，在光谱探测、传感、信息处理等应用领域具有重大应用价值。

上海光机所副所长、强场激光物理国家重点实验室主任冷雨欣介绍：“实验室在引导、鼓励使命驱动的建制化基础研究的同时，有意把自由选择、自由探索列为基础研究类的成果之一，就是想让不同技术、不同路径共同探索基础研究取得突破。要让基础研究人员不为钱发愁。尽所里财力所能，靠事业靠平台吸引人才、留住人才。”

此次成果的实现得益于研究团队在小型化自由电子光源领域中的长期积累，如团队相继发现了微型电子波荡器辐射(Nature Photonics，2017)、激光调制阿秒电子脉冲序列(Nature Photonics，2020)等新原理，相关研究成果分别被评为“2017年度中国光学十大进展”和“2021年度中国光学十大进展”。

Q1：此次科研突破对基础科技前沿产生了哪些影响和改变？

在科学原理上我们创新观测到了表面光波如何经历相干放大演变为表面波型激光的过程，因为在晶体等增益介质内部是无法观测这一过程的，而我们采用超快技术则把“受激辐射光放大”这一过程在实体空间探测到。

在新技术上我们验证了采用自由电子即可泵浦表面等离极化激元这种表面模式光并实现相干放大，这为高亮度的表面等离极化激元（表面光）的光源提供了全新的技术途径。

这种技术在材料物理如极化子的诊断、传感、信息传输处理等会有一些重要的应用价值。

Q2：对于相关产业界，此次科研突破将产生怎样的影响？

该技术可作为一种新型的光源技术，如实现高功率的集成式波导上相干光源，应用在前沿物理如表面科学研究，可以实现更高强度和可调谐频率的激发。应用在通讯和传感方面，以更高功率实现传输以及高信噪比的传感等。

Q3：此次研发成果取得的过程中，您曾临哪些挑战和瓶颈？您的解决方案是什么？

工作最初的难点在于研究的想法，具体开展实验研究则是技术测量方面。

光的放大机理虽然已被激光原理阐述，但表面等离极化激元（表面模式光波）的放大我们则是在理论层面，从自由电子与表面等离极化激元相互作用的量子理论，从费曼图上先勾勒出其机理，并设计出对表面模式光波实验测量的研究想法。

实验上光场图像在实空间的捕捉常规的成像功率探测等手段是不可行的。因此结合课题组此前的积累采用超快电光和磁光探针结合的技术，把实空间光场的电磁场分量分别予以测量从而实现对超快过程的拍照和记录。

Q4：从国际范围来看，目前我国相关技术处于什么发展水平？面临哪些机遇和挑战？

在国际该领域我们发现新技术路线以实现一种新型的表面模式激光，这对该领域有积极的意义。但从小型化光源整体的研究来看相关研究还处于实验室阶段。

机遇和挑战：我们都知道上海市在建设有全球影响力的科技创新中心，特别在三大科研任务：集成电路、生物医药、人工智能方面，开发关键领域的新光源变革性新技术和满足特定需求的集成式小体积、高效光源都是一项巨大的挑战。我们也应该有信心坚定不移发展我们自己的中国方案，实现科技自主自强。

Q5：未来，您的研发有哪些规划和新方向？

未来，研究团队将基于这一全新技术进一步发展小型化/集成化的相干光源，并拓展其在光谱探测、传感、信息处理领域的交叉应用，进一步开发集成化的等离极化激元光源及其应用，如提高辐射光子相干性、和辐射亮度等。