上海光学精密机械研究所----上海光机所在自由电子激光和量子光源研究中取得重要进展

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上海光机所在自由电子激光和量子光源研究中取得重要进展

近日，中国科学院上海光机所超强激光科学与技术全国重点实验室田野研究员和李儒新院士团队与上海科技大学潘义明研究员等提出一种新机制：利用自由电子量子波包在空间传播中积累的二次相位，同时实现了可选择的高次谐波群聚和非经典量子光源合成，建立起连接量子态调控、高次谐波辐射与量子光合成的新原理框架。相关成果以“自由电子波包编程相干光源与量子光源”（Programming Coherent and Quantum Light with a Free-Electron Wavepacket）发表于《物理评论快报》Physical Review Letters。

自由电子激光是高亮度短波长相干辐射的主要来源，量子光源是量子信息处理的关键资源。如何在保持高相干性的前提下，实现光源频谱与量子态的灵活可编程调控，是先进光源与量子技术交叉领域长期追求的科学目标。传统先进自由电子激光方案，如高增益谐波放大（HGHG）与回波谐波放大（EEHG）依赖对电子束的“层层整形”，通过级联调制器和磁压缩段对电子束逐级外部调控，系统复杂且易受集体不稳定性影响。量子自由电子激光依靠量子反冲效应纯化光谱，但对电子束品质要求极为苛刻，要求电子具有极小的能量展宽、较低的发射度以及较高的能量稳定性，以进入单光子反冲主导的量子工作区。能否跳出“外部整形”与“极端品质”的双重束缚，让电子自身的量子演化完成这一任务？

研究团队从经典光学泰伯（Talbot）效应获得灵感：周期光场自由传播时会因不同分量相干干涉而在特定距离"自我复制"。研究发现，自由电子量子波包也存在对应的量子Talbot演化——经光场调制后，电子不同能量分量在真空中积累不同相位，在特定距离重新相干叠加，使概率密度自发形成周期性密集结构。这本质上是"自群聚"效应：与传统自由电子激光中大量电子的统计性群聚不同，这里的群聚源于单个电子波包内部的量子干涉，将群聚概念从经典束流拓展到单电子量子波包层面。

基于该效应，团队实现两种输出通道。其一为高次谐波选择辐射：在特定分数Talbot距离处（如7.96毫米），电子密度自组织成高对比度超快密度梳，使第30、60、90阶谐波选择性增强，其余阶数被自然抑制，无需外部种子光或滤波片。其二为非经典量子光合成：调制电子与量子微腔相互作用，通过测量电子能量变化，将波包中预编程的二次相位“转移”到光场，生成多组分薛定谔猫态等非经典光子态。该方案对相位噪声和有限边带能宽等扰动具有优异鲁棒性，从谐波选择到量子猫态调控，只需调节电子自由传播距离一个参数即可连续调谐。

该工作从量子波包层面重新定义了自由电子群聚内涵，提出了由单电子量子干涉产生和操控群聚的新范式。对于自由电子激光，它规避了传统HGHG/EEHG方案对多级调制器的依赖，展示了仅凭真空漂移即可实现内禀谐波选择的可能性；对于量子光源，它绕开了对材料非线性或概率性方法的依赖，为确定性可编程量子光合成提供了一种新的预编译思路。这将自由电子从传统的‘辐射源’角色拓展为可编程的量子态载体，为后续的电子-光子混合量子调控开辟了理论空间。

中国科学院上海光机所和上海科技大学2025级联培博士研究生朱松宇为第一作者，曾雨珊副研究员为论文共同通讯作者。该工作得到了基金委卓越创新群体（原基础科学中心项目）、青年科学基金A类、上海市基础研究特区计划等支持。