 自由电子在波导表面激发出激光的全过程示意图 5年坚持，探路芯片上的“未来光源” 什么是相干光源？当一群电子如仪仗队般整齐划一地行动，就具有良好的相干性，这种自由电子如同训练有素的士兵，可在一些特定光场中产生高品质、高功率的激光。 位于张江的软X射线自由电子激光装置、超强超短激光装置等大科学装置，其本质都是通过将种子光经过增益介质，并将其功率不断放大形成高品质激光，进而实现各种科学目标。 那么，未来是否可能在一块小小芯片上也装上激光光源？科学家已在探路，并初窥门径。 发展小型化的激光光源，一直是强场激光物理国家重点实验室的梦想。在李儒新院士的指引下，早在2017年，田野等人就开始了探索。团队利用实验室多年积累的超快光学技术，探测到了整个过程：一群短脉冲自由电子在波导表面与表面光种子相遇时，产生了超辐射（发出相干光），紧接着能量以平方级数迅速增强，直到能量饱和产生激光。
超辐射、指数增长、饱和的三阶段受激辐射光放大全过程 “我们第一次在实体空间里，看到了波导表面激光诞生的过程！”田野说，这种自由电子受激辐射出的光源，其能量可上升1万至10万倍。未来，片上波导的诸多应用也需要高品质光源，如果这条路可以走通，就可直接在波导上发出所需激光。 论文在审稿时，《自然》杂志审稿人就对此表示了极大关注，认为“该工作极具独创性，将引发多个学科领域极大研究兴趣，展示了非常好的应用前景”。 如今，田野团队已在搭建设备，着手尝试继续提升激光功率，探索新发现的实际应用场景。
研究团队合影（从左到右分为张冬冬、曾雨珊、田野、白亚锋） 一个亟待解决的问题 光源是人类探索未知世界最重要的工具之一，40余项诺贝尔奖与光源技术和应用直接相关。 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。在自由空间传输的光，一般需要以光学晶体为介质，这就像借助充电宝，光的能量得以被放大。然而，晶体如同一个密室，科学家很难直接观测到光是如何放大的。波导表面光场则完全不同，整个增益放大过程全程展现在表面，可以直接被观测。 相比我们目光所及的自由空间可见光场，波导表面光场有着亚波长和近场电压增强的优异特性。亚波长的尺寸小于电磁波，这就好比把电场加载到一根针上，其尖端会发生放电，也就是近场电压增强。正是有着这些优异特性，波导表面光场近年来逐步应用于新一代无线通信、纳米尺度的成像与探测等领域，有望带来变革性的技术影响。目前国际上产生表面光场主要有电子直接激发与波导耦合两种方式，但都受限于低耦合效率导致的弱光场能量，进而限制了其在上述领域的应用。因此，发展高功率光源是该领域亟待解决的问题。 另辟蹊径的新“赛道” 当绝大多数人试图在自由空间解决高功率光源这一问题时，上海光机所研究团队另辟蹊径提出了“电子能否将表面光放大”的创新思路。 对于这一前人未曾有过的设想，他们紧紧抓住乍现的灵感，开始了最艰难的原理设计。“当电子像仪仗队一样整齐划一，就能产生更大的功率。”田野告诉记者，如果把表面光上的电子，看成是水面上划龙舟的水手，谁划的波浪大，产生的功率或辐射的能量就越高，谁就赢得比赛。无疑，最有效的策略是，所有水手动作一致往一个方向使劲，这种同频共振（相干性）就能划出更大的波浪。反之，如果划动方向不一致，水波涟漪混乱，龙舟的速度就会慢下来。
历经5年的探索，该团队不仅拍摄到了“水手划龙舟”的动态全过程，还开辟了一条新“赛道”，将光能量放大了4个数量级。以往为了产生波浪，要么直接把水手扔到水面激发浪花，要么注入新的水源（激光）引发浪花，但这两种方案的缺点是效率很低，产生的浪花也很小。 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。 |
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