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【概述】2022年11月，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Nature杂志报道了小型化自由电子相干光源研究领域的突破性进展。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表面等离子激源（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。![]()
研究自由电子和微粒子之间相互作用的动机由来已久且多样，因为微粒子内部的光-物质相互作用可以表现出在其他情况下无法获得的非凡特性。在光学频率下，红外SPPs已被证明可以允许原子系统中的禁止跃迁，并被用于构建片上辐射源和验证光的量子性质。尽管如此，这些应用都依赖于对探针电子束的精确控制和检测(如光子诱导近场电子显微镜(PINEM))；但相反的情况——SPP场的时空表征——即使在最初被认识几十年后，仍处于萌芽状态，有待进一步探索。特别是在光频以外的光谱波段，许多声子极化子模的共振频率都存在，在远红外和太赫兹频率范围内，包括在二维材料中有效激发极化子模，以及构建太赫兹检测器和太赫兹生化传感器，都具有广泛的前景。主要研究结果
（1）作者使用了强烈的传统激光器（图1）。通过用仅持续飞秒（1飞秒为10-15秒）的强大红外脉冲照射铁丝末端，它们能够产生一个短的电子脉冲（持续时间为30飞秒）。由激光脉冲产生的强电场有效地将电子从铁原子中剥离出来，将它们加速到一个非常高的速度（大约是光速的0.6倍），并将它们快速送入铁丝中。铁线不仅是电子的来源和"通道"，而且也是支持移动电磁波的光学介质。电子脉冲产生的电场使铁丝中其他移动的电子发生振荡，诱发自发辐射，表现为在铁丝中传播的电磁波。然后，脉冲中的自由电子与该波相互作用并放大。脉冲的短暂性质和铁介质的特性确保了发射总是发生在电磁波的波峰附近，从而保证了能量从电子转移到磁场，直到电子和光漂移开来。![]()
图1 实验方案：受激发射的相干SPP放大。（图片均来自于原文）
（2）将SPP频率范围从红外扩展到太赫兹。在基本的光发射过程中，如自发辐射，传统的光-物质相互作用在SPPs忽略了不同电子之间的相位差异，因为有关相位匹配的特殊挑战。尽管获得阿秒电子脉冲已经是可行的，但这种困难仍然是SPP场中自由电子相干受激发射实验实现和表征的主要障碍。然而，太赫兹SPPs可以大大缓解这种需求：太赫兹SPPs的传播和拉伸波长特性提供了更多的自由电子束相干的耐受性。![]()
图2 太赫兹SPPs电磁场的时空动力学。（图片均来自于原文）
（3）该研究提出了一个通过自由电子刺激发射直接进入太赫兹SPP的相干太赫兹SPP光源的概念。同时，从理论上证明，在相位匹配条件下，辐射功率可以进一步放大100个数量级，为自由电子SPP激光器的发展奠定了基础。该研究提出了一个通过自由电子刺激发射直接进入太赫兹SPP的相干太赫兹SPP光源的概念。该研究从磁场和电场近场演化的角度实验论证了太赫兹SPP的时空分辨产生、放大和失相过程，并明确地给出了相干相互作用长度超过1 mm的SPP放大动力学。在实验条件下，观测到辐射频率从0.65THz到0.34THz的红移并进行了理论分析。实验结果证明了自由电子在与SPPs相互作用中的受激发射。此外，该研究还从理论上证明，在相位匹配条件下，辐射功率可以进一步放大100个数量级，为自由电子SPP激光器的发展奠定了基础。https://baijiahao.baidu.com/s?id=1748606742707061661&wfr=spider&for=pchttps://www.163.com/dy/article/HL83RHI605329TW8.htmlhttps://www.nature.com/articles/s41586-022-05239-2#Abs1