2024年光子学创新：自由电子与非线性光学态的绝妙结合

非线性光学动态——在高强度光源下，光与材料相互作用时的强度依赖的响应——在现代光子学中非常重要，广泛应用于激光器、放大器、调制器、传感器等领域，以及量子光学、非线性系统动态和光与物质相互作用的研究。

近年来，非线性光学效应，如克尔效应和电光效应，已经在基于微谐振器的光频梳，或称“微梳”中得到了应用。这些紧凑且集成在芯片上的设备，利用单色激光源产生等距的光谱，为频率计量、信号处理、光计算和电信等领域的进步开辟了新天地。

在其他研究中，研究人员在自由电子与光在电子显微镜中的相互作用理解上取得了显著进展。他们在用光操控电子和从电子生成光方面实现了卓越的操控，这可能推动先进电子显微镜、光谱学、电子束整形、相干调制与探测、介电激光加速、阿秒电子束聚集以及电子驱动光源的发展。

特别值得一提的是，光子结构可以帮助介导自由电子与光之间的相互作用，而纳米结构的金属界面和等离子体纳米粒子则通过表面等离子体极化子实现电子与光子的相互作用。

最近，基于芯片的高品质因子（Q）光学微谐振器推动了对电子-光子相互作用的进一步探索。然而，这些演示主要利用线性腔体的响应，忽视了高Q微谐振器丰富的非线性光学动态。

在一篇综述文章中，一个国际研究团队，由瑞士洛桑联邦理工学院的杨宇佳博士、托比亚斯·J·基彭贝格教授和德国马克斯·普朗克多学科科学研究所的克劳斯·罗珀斯教授组成，全面总结了在2024年电子显微镜中电子-光子相互作用的进展，重点讨论了他们在集成光子微谐振器中将自由电子与非线性光学态耦合的突破性工作。他们的研究成果发表在IEEE Photonics Journal上。

“我们将自由电子束与传输电子显微镜中的多种时空光波形相结合，这些光波形与通过光学参量振荡合成的相干或非相干微梳相关。特别是，我们展示了在微谐振腔内利用基于芯片的飞秒时间孤子实现的超快电子束调制，”杨博士说。

此外，研究人员总结了2024年取得的其他非常有前景的最新进展，例如，利用自由电子同频检测实现的基于阿秒的电子显微镜、利用自由电子共振干涉法探测极化子波包、手性电子线圈的生成和表征，以及超快的卡皮察-迪拉克效应。

“各种新兴的光子技术为自由电子与光的耦合提供了创新的方法。高品质微谐振器丰富的非线性光学特性为利用非线性光学控制自由电子和用电子束探测非线性光学提供了一个引人入胜的机会，”基彭伯教授说。

“我们预计这些以及未来的发展将推动在先进电子控制和测量方案方面的创新研究和应用，用于电子成像、光谱学、自由电子光源、激光粒子加速器和超快量子光学，”罗珀斯教授总结道，强调了2024年光子学突破所带来的巨大潜力。

更多信息： 杨宇佳等，2024年光子学的突破：自由电子与非线性光学态的相互作用，IEEE光子学期刊（2025年）。 数字对象标识符（DOI）：10.1109/jphot.2025.3604853