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表面等离子子，具有独特的光约束特性，有望成为未来紧凑型辐射源和集成光子学器件的基石。光和物质之间的能量转移，是最近光表面波介导的自发辐射研究的基础。

然而，自由电子光源所必需的自由电子相干受激发射及其动态放大过程，仍需以清晰、明确和校准的方式加以揭示。

在此，来自中国科学院上海光学机密机械研究所的白亚锋&田野&李儒新等研究者提出了通过自由电子刺激发射的太赫兹表面等离子体激元的相干放大：飞秒光脉冲与初始太赫兹表面波产生同相自由电子脉冲，它们随后的相互作用相干增强太赫兹表面波。相关论文以题为“Coherent surface plasmon polariton amplification via free-electron pumping”于2022年11月02日发表在Nature上。

利用来自光子准粒子(可以是等离子体或声子)的光的强烈约束，现在正成为开发极其紧凑的辐射源和打破强耦合体系的先决条件。表面等离子体激元(SPPs)是电荷密度波和电磁场的混合物，可以提供急剧变化的光子密度。相应地，研究光-物质相互作用中微粒子的强度、光谱和时空演化，对调控相互作用特性具有重要意义。

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已被证明允许原子系统中的禁止跃迁，并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所在的波段，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(太赫兹)探测器和太赫兹(太赫兹)生化传感器，都具有广泛的前景。

在这方面，将SPP频率范围从红外扩展到太赫兹是很有趣的，看看可以启用哪些功能。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。因此，一个现成的电子束，为探索太赫兹粒子内部相干受激发射的前景提供了可能。

在这里，研究者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。研究者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。在研究者的实验条件下，观测到辐射频率从0.65太赫兹到0.34太赫兹的红移，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，研究者还从理论上证明，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。

图1. 受激发射相干SPP放大

图2. 太赫兹粒子电磁场的时空动力学

图3. 放大过程中太赫兹SPPs的空间和光谱特性

图4. 模拟太赫兹SPPs纵向电场分量内的电子相演化

图5. 朝向一个受激的SPP光源

作者简介

李儒新，中国科学院院士，博士生导师，中国科学院上海光学精密机械研究所研究员。李儒新院士长期从事超高峰值功率激光和强场激光物理的研究，在拍瓦激光装置、激光加速高能电子和质子、阿秒X光光源和电子源、强场太赫兹辐射等方面取得一些重要研究成果。在超高峰值功率超短脉冲激光方面，与合作者一道解决了大口径高增益宽带激光放大器的寄生振荡抑制等关键科学技术问题，建成了拍瓦激光实验装置并取得重要应用成果。在强场激光物理方面，与合作者一道在激光尾波场的级联加速和高性能高能电子束产生、基于亚周期时间尺度相干控制的强场高次谐波与阿秒光源产生等方面取得重要成果，李儒新的研究成果得到中国国内外同行的重点引用与高度评价。负责建成国家重大科技基础设施项目“上海超强超短激光实验装置（SULF）”；2018年《科学》杂志文章[Science 359, 382 (2018)]将SULF列举为国际上自1960年第一台激光器发明以来在激光脉冲功率提升方面取得的五个里程碑式进展之一；实现了2017年国际最高峰值功率（5.3拍瓦），当年被中科院选为党的十八大以来中科院取得的20项标志性重大成果之一。2018年诺贝尔物理奖得主Mourou评论该成果指出“中国科学家利用上海的一个装置打破了最高峰值功率激光脉冲的世界纪录”。

作为负责人，李儒新院士承担了973项目课题、863项目、国家杰出青年基金项目、中国科学院重要方向项目、上海市基础研究重大项目等十余项科研项目。获批准和被受理发明专利多项，截至2017年3月，发表论文100余篇。

文献信息

Zhang, D., Zeng, Y., Bai, Y. et al. Coherent surface plasmon polariton amplification via free-electron pumping. Nature 611, 55–60 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05239-2

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05239-2

https://people.ucas.edu.cn/~0005711#%20720193

https://baike.baidu.com/item/%E6%9D%8E%E5%84%92%E6%96%B0/9445142

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