前沿：吴琳/仇成伟团队Newton | 时间Smith-Purcell辐射为新型光源和粒子加速器开辟新路径- 大数跨境

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前沿：吴琳/仇成伟团队Newton | 时间Smith-Purcell辐射为新型光源和粒子加速器开辟新路径

两江科技评论

2025-03-11

导读：新加坡科技设计大学吴琳教授团队与新加坡国立大学仇成伟教授团队合作，在Cell Press细胞出版社旗下期刊Newton上发表研究论文。该研究为发展新型辐射光源和粒子加速器提供了新的思路。

文章来源：CellPress细胞科学

2025年2月27日，新加坡科技设计大学吴琳教授团队与新加坡国立大学仇成伟教授团队合作，在Cell Press细胞出版社旗下期刊Newton上发表了一篇题为“Smith-Purcell Radiation from Time Grating”的研究论文。该研究将时变材料与自由电子辐射相结合提出了时间Smith-Purcell辐射（Temporal Smith-Purcell Radiation），为发展新型辐射光源和粒子加速器提供了新的思路。

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文章亮点

提出了时间Smith-Purcell辐射的概念及其对应的色散方程；
通过仿真验证了关键物理性质；
比较了传统Smith-Purcell辐射与时间Smith-Purcell辐射的差异；
提出了未来的实验仿真方案，并论证了其可行性。

文章简介

Smith-Purcell辐射

Smith-Purcell辐射（SPR）是带电粒子（如电子）飞越周期性空间结构（如光栅）时产生的电磁辐射现象。该现象最早由D.H. Smith和E.M. Purcell于1953年提出，因此得名。SPR在自由电子激光、粒子加速器、真空电子器件和高能物理等领域具有重要应用。在本研究中，我们将传统SPR与时间光栅相结合，提出了时间Smith-Purcell辐射（T-SPR）的概念。

T-SPR介绍

为了阐明SPR与T-SPR的区别，我们以一个简单的光栅系统为例，介绍两者的基本概念。传统SPR的原理如图1A所示，电子以归一化速度（β）飞越周期为p的光栅表面，激发出自由空间中的电磁辐射。电子的色散线在图1C中以红色实线表示。由于电子诱导的电磁波波矢大于自由空间的波矢，该模式表现为倏逝波，无法直接传播到远场。光栅通过衍射作用为电子提供动量补偿，使得电子的色散线沿动量轴平移，平移的距离由衍射阶数（m）决定。当电子色散线移动至光锥（如图中的蓝色实线所示）之上时，倏逝波将转化为自由空间的辐射，工作频段由图1中的浅蓝色阴影区域表示。辐射波长（λ）、辐射角度（θ）、电子归一化速度（β）和工作谐波（m）之间的关系可通过传统SPR的色散公式描述。然而，传统SPR依赖于空间光栅的周期性结构，一旦光栅结构确定，辐射特性只能通过调节电子的运动速度进行调整。为突破这一限制，我们提出了通过时间光栅实现类似的辐射机制，即时间Smith-Purcell辐射（T-SPR）。

图1 SPR的结构示意图（A）及其色散线原理示意图（C）；T-SPR的结构示意图（B）及其色散线原理示意图（D）

与传统的空间光栅不同，时间光栅是一种在空间上均匀但其电磁性质随时间周期性变化的介质。该系统通过时间调制打破了能量守恒的限制，能够为入射波提供能量补偿，而非动量补偿。当电子飞越时间光栅时，在色散图中其色散线将沿频率轴上下移动（如图1B和1D所示），若移动至光锥之上时，便会产生T-SPR，相应的辐射特性可通过T-SPR色散公式进行预测。为了验证T-SPR机制的物理特性，我们使用了全波仿真软件进行理论验证。图2展示了时域和频域的仿真结果，表明T-SPR具有可控的定向辐射特性。

图 2 T-SPR的时域仿真结果(A)以及频域仿真结果（B）

T-SPR优势

与传统SPR相比，T-SPR展现了以下显著优势：

（1）辐射稳定性：T-SPR对电子-光栅距离表现出更强的鲁棒性（见图3A-B）。这是由于时间光栅的能量泵浦作用，T-SPR的有效Bohr距离远大于传统SPR，能够在相同频率下保持稳定的辐射强度。

（2）有源可重构特性：与传统光栅不同，时间光栅提供了一种有源调控平台。通过调节时间光栅的调制周期、幅度和波形（见图3C），可以精确控制T-SPR的辐射频率、方向和强度，提供比传统SPR更大的灵活性。

（3）能量放大效应：时间调制引入了额外的能量通道，打破了传统的能量守恒约束。在动量带隙内，系统能够实现能量的指数放大（见图3C），从而提供比传统SPR更高效的辐射源。

图 3 T-SPR的强鲁棒性对比：SPR强度随着距离d指数衰减（A），而T-SPR变化较小（B）；T-SPR的有源调控（C）。

T-SPR的应用前景

T-SPR作为一种新型的辐射机制，具有广阔的应用前景。首先，T-SPR为片上光源的开发提供了新的思路。通过精确控制辐射频率和方向，T-SPR能够在微型光电子器件中实现高效的光源输出。其次，T-SPR的灵活性使其在电子加速器、量子计算、超高频光通信等领域具有重要应用潜力。然而，尽管T-SPR展现出了显著的优势，仍面临一些挑战。例如，实验中实现T-SPR所需的超快时间调制技术尚处于发展阶段，如何在实际系统中实现高效、可控的时间光栅调制仍然是一个重要问题。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请吴琳教授进行了专访，请她为大家进一步解读。

CellPress：

请简要概述这项工作的亮点。

吴琳教授：

本研究将自由电子辐射与时变超材料相结合，提出了时间Smith-Purcell辐射（T-SPR）这一新概念。通过利用时间光栅的时间周期性调制替代传统光栅的空间周期性，实现了更灵活的辐射控制。我们推导了广义色散方程，揭示了辐射频率、方向、电子速度、调制周期及谐波阶次之间的相互关系。与传统SPR相比，T-SPR具有以下几方面的显著优势：强鲁棒性：辐射强度对电子-光栅距离不敏感，而传统SPR的强度随着距离增加呈指数衰减；可重构性：能够通过调控时间光栅的性质精确调控辐射的频率、方向和强度；放大辐射：时间调制引入额外的能量通道，提升辐射效率。T-SPR在片上光源和电子加速器等先进应用领域具有巨大的潜力。

CellPress：

研究过程中遇到了哪些困难？团队是如何克服并顺利解决的？

吴琳教授：

在进行该研究工作时，我们在验证关键物理性质方面遇到了一些挑战。首先是时变系统的仿真，传统的电磁全波仿真软件主要用于处理时不变系统，且关于时变超材料的研究尚处于早期阶段，相关的技术资料较为匮乏。为此，我们深入查阅了软件底层技术资料，并借鉴了动态热学系统的仿真方法，以构建适用于时变系统的仿真模型。其次是运动电子的建模，传统方法通常通过频域等效电流来模拟自由电子辐射，而我们的研究需要在时域中进行建模和仿真。为解决这一问题，我们基于相控阵原理，通过合理设置偶极子阵列单元之间的相位差来模拟运动的自由电子。通过克服上述两个主要困难，我们成功完成了系统的建模和主要现象验证。

CellPress：

团队下一步的研究计划是怎样的？

吴琳教授：

我们将继续深化自由电子辐射和时变超材料的研究。除了Smith-Purcell辐射外，我们还将渡越辐射与时变材料相结合，提出时间渡越辐射的概念，并发现其在时间边界上的辐射强度与传统空间的结果相反，这一发现有望为探索材料的超快变化过程提供新的检测思路（arXiv:2501.12899）。此外，我们还在积极研究实验的可行性，寻找具有超快变化特性的材料，并对其关键物理性质进行验证。

CellPress：

最后，是否可以与我们分享一下选择Newton来发表这个工作的原因？

吴琳教授：

我们选择Newton期刊主要看中其跨学科的影响力和较高的学术声誉。该期刊覆盖物理学、工程学等多个领域的读者，能够推动我们提出的时间Smith-Purcell辐射概念在相关领域的应用与交流，提供理想的学术传播平台。此外，期刊对创新研究的重视也使其成为展示我们研究成果的理想选择。

作者介绍

朱娟峰，新加坡科技设计大学数理科学部博士后研究员。2016年于兰州大学获得学士学位，2021年于北京大学获得博士学位。2022年加入吴琳教授课题组，主要从事自由电子辐射、时变超材料和纳米光学等领域的研究。

吴琳，新加坡科技设计大学副教授。2005年和2009年分别于新加坡南洋理工大学获得学士学位（1st class Honour）和博士学位。2009年至2021年，任职于新加坡科技研究局（A*STAR）高性能科学计算研究所。2021年11月加入新加坡科技设计大学数理科学部。她的研究兴趣包括纳米光学、纳米等离激元学以及量子光学中的理论探索与传感应用，已在Science、Nature Photonics等高水平学术期刊发表论文100余篇，合著书籍3本，并获授权美国专利4项。她的学术兼职包括担任IEEE新加坡分会核与等离子体科学学会主席、Optics Express副编辑（Associate Editor）以及APL Quantum咨询编委（Editorial Advisory Board）等职务。

仇成伟，新加坡国立大学校长讲席教授，新加坡工程院院士，东盟工程与技术科学院院士，APS、Optica(原OSA)、SPIE、COS和美国电磁学会会士。其于2003年获得中国科学技术大学工学学士学位，2007年获得新加坡国立大学博士学位。此后在麻省理工学院物理系做博士后研究。2009年12月加入新加坡国立大学任助理教授，2017年1月晋升为副教授。2018年1月被提升为院长讲席教授。2025年1月被提升为校长讲席教授。曾先后荣获2005年高级电磁学 SUMMA研究生奖学金、2006年IEEE AP-S研究生奖、2008年URSI青年科学家奖、2011年新加坡国立大学青年研究员奖、2012 年麻省理工学院TR35@新加坡奖、2013年新加坡国家科学院青年科学家奖、2013年新加坡国立大学青年研究奖、2018年SPIE新锐研究员奖、2018年新加坡国立大学青年工程研究奖、2021年新加坡国立大学工程研究员奖、2021年新加坡物理研究所颁发的世界科学奖章、2022年中国科技期刊卓越行动计划优秀主编奖、2023年全球华人物理和天文学会亚洲成就奖，2023年IEEE光子学会年杰出讲师，2023年新加坡总统科学奖。他的研究以多维度融合的结构表面和结构光操控而闻名。他在Nature、Science、Light: Science & Applications（简称Light）、eLight等顶级期刊发表了500多篇经同行评议的期刊论文。目前，仇成伟教授担任eLight共同主编，还曾担任Laser and Photonics Review、Advanced Optical Materials、ACS Photonics、PhotoniX、Photonics Research等多个期刊的编委和顾问。

此外，我们特别感谢课题组的樊宇迪博士和周文捷博士，哈尔滨工业大学的宋梓诚博士，新加坡科技研究局（A*STAR）的Ayan Nussupbekov博士、Ping Bai博士和Ching Eng Png博士，哈尔滨工程大学的王旭辰教授，以及北京大学的张子文博士、杜朝海研究员和魏贤龙教授，感谢他们对本研究的悉心指导和大力支持。