記者黃海華

  正如電腦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雷射科學家的不懈追求。近日，中國科學院上海光學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域取得突破性進展。研究人員採用超快光學科技，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全過程，對於發展小型化/集成化的高功率自由電子相干光源具有重要意義。相關研究今天將發表於國際學術期刊《自然》。

  一個亟待解决的問題

  光源是人類探索未知世界最重要的工具之一，40餘項諾貝爾獎與光源科技和應用直接相關。

  近年來，作為半導體積體電路基礎的微納制造技術不斷進步，使集成化的自由電子光源成為可能。在自由空間傳輸的光，一般需要以光學晶體為介質，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，科學家很難直接觀測到光是如何放大的。波導表面光場則完全不同，整個增益放大過程全程展現在表面，可以直接被觀測到。

  相比我們目光所及的自由空間可見光場，波導表面光場有著亞波長和近場電壓增强的優异特性。亞波長的尺寸小於電磁波，這就好比把電場加載到一根針上，其尖端會發生放電，也就是近場電壓增强。正是有著這些優异特性，波導表面光場近年來逐步應用於新一代無線通訊、納米尺度的成像與探測等領域，有望帶來變革性的科技影響。現時國際上產生表面光場主要有電子直接激發與波導耦合兩種方式，但都受限於低耦合效率導致的弱光場能量，進而限制了其在上述領域的應用。囙此，發展高功率光源是該領域亟待解决的問題。

  另闢蹊徑的新“賽道”

  當絕大多數人試圖在自由空間解决高功率光源這一問題時，上海光機所研究團隊另闢蹊徑提出了“電子能否將表面光放大”的創新思路。

  對於這一前人未曾有過的設想，他們緊緊抓住乍現的靈感，開始了最艱難的原理設計。“當電子像儀仗隊一樣整齊劃一，就能產生更大的功率。”田野告訴解放日報·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。

  歷經5年的探索，該團隊不僅拍攝到了“水手劃龍舟”的動態全過程，還開闢了一條新“賽道”，將光能量放大了4個數量級。以往為了產生波浪，要麼直接把水手扔到水面激發浪花，要麼注入新的水源（雷射）引發浪花，但這兩種方案的缺點是效率很低，產生的浪花也很小。

  未來，研究團隊將基於這一全新科技進一步發展小型化/集成化的相干光源，並拓展其在光譜探測、傳感、資訊處理領域的交叉應用。