硬核！这项研究成果登上《自然》杂志！

激光被称为“最快的刀”

“最准的尺”“最亮的光”。

你是否想过，

激光究竟是如何“亮”起来的？

我们又能否“看清”这个过程呢？

观测“表面光”，拍摄“电子划龙舟”

近日，上海光机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。今天（11月3日）凌晨，其科研成果登上国际顶尖学术期刊《自然》杂志。研究团队此次取得的重要进展，是采用超快光学技术首次探测了表面光经历受激辐射放大形成表面激光的全过程。

“通过这一技术，我们把光源转移到波导表面，从而研究表面光。在表面光提供的平台上，我们目睹了‘光种子’是如何在注入电子的激励下一点点演化、增长的全过程。”研究团队负责人田野感慨道，当大家第一次观测到全过程，那种兴奋是难以描述的。

简而言之，如果把这个过程看成是水面上比赛划龙舟的话，电子相当于水手，谁划的波浪大，即产生的功率或辐射能量高，谁就赢得比赛。田野打了个比方，“所有水手统一节奏、向一个方向使劲，也就是相干，就能划出更大的波浪，形成强大的光源。”

国际同行给予了高度评价：“该工作极具独创性，其研究成果将对激光光学、纳米光子学和固态物理学等多个学科领域引起极大的研究兴趣……”“分析表明，在更有利的条件下可以实现类激光的功率放大，该工作展示了非常好的应用前景……”

大胆提出设想，深究量子机理

谈及这一研究的初衷，田野兴致盎然，“大学时，我熟知了激光原理——原子内的电子通过受激辐射产生新的光子，然后放大得到激光，但这个过程一般是在晶体内部实现的。而在自由空间，我们能不能拍一个实际的图像，去看到、去观察、去触摸呢？这是我一直想做的事。”

相比灯光亮起的一瞬，激光在峰值功率上的能量聚集程度，要比灯光高出千百万倍，这个过程是如何实现的？自由电子怎么把这个光放大？究竟能否实现相干的放大呢？这个放大的过程实体空间如何直观揭示呢？这是前人未曾尝试的视角。2019年，田野大胆地提出这一前沿设想，随后开始深究其中的量子机理。

小型化自由电子相干光源实验方案示意图

有了机理的支撑，在一次次探索中，研究团队找到了行之有效的方法，从而拍摄到“电子划龙舟”的动态过程。

这项研究持续了多长时间？这个简单的问题，却把田野难住了。该如何定义研究的时间呢？“这项研究于2019年正式启动，可在此之前，我们已经对这一领域有了长久的思考和积累。”田野表示，该成果的实现，背后是一串长长的足迹。

多年来，上海光机所研究团队在小型化自由电子光源领域攻克了一个又一个“痛点”，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”。

小型化自由电子相干光源

时间来到今年春天，这一成果正值完稿阶段，需要进行大量的后期数据处理以及更加深入地阐述相关成果。而这时，新一轮疫情使团队成员不得不在所内“闭关”。研究团队顶住压力、圆满完成了收尾工作，“一天里两三次会议是常态。有时，我们边做核酸检测边讨论解析过程。”回忆起这一幕幕，田野感慨道，“好在，这一切都是值得的。”

这种“笨拙”的坚持使最初的一个假设得到了实验的印证，成为该领域又一突破性进展。

开辟“新赛道”，为多领域研究提供更多可能

该实验首次动态演示了表面等离极化激元受激辐射放大的动力学过程，并揭示了其经历了高增益自由电子激光中超辐射、指数增长、饱和的三阶段放大过程。

其研究价值不止体现于此——除了拍摄到“电子划龙舟”的动态过程，研究团队还开辟了一条“新赛道”，这在光谱探测、传感、信息处理等应用领域具有重大应用价值，为今后的多领域研究提供了更多可能。

据介绍，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。“简而言之，一是水手直接跳到水面激发浪花；二是我们手上有水源，再往水面注入水引发浪花，但这两种方案的缺点是效率很低，产生的浪花很小。”田野表示，不论对于何种方式，所产生的表面光场都有所受限，进而限制了表面等离极化激元在诸多领域的应用。因此，发展相干的高功率表面等离极化激元光源是亟待解决的问题。

科研不息，“折腾”不止。在田野看来，这次发表在《自然》上的成果只是一个起点。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，为国家科技前沿和重大需求攻关提供重要支撑。

撰稿：杨育杰

摄像：张洋

编辑：唐敏、沈悦