自由电子与材料和微纳结构相互作用可以 产生不同频段的电磁辐射，在粒子探测、生物医学、电磁辐射源等领域具有重要的应用价值。将传统真空电子学与正在新兴的微纳光电子学的交叉融合，探索自由电子与微纳结构和材料的相互作用，为突破自由电子产生辐射的限制条件、拓展辐射频率、调控辐射偏振和相位、操控自由电子的能量和空间分布、以及实现全新形式的自由电子辐射器件提供了可能。

在基于微纳结构的自由电子辐射器件上开展了研究工作：（1）提出在双曲超材料表面运动的电子产生无阈值切伦科夫辐射（Cherenkov Radiation）的机理，实验观测到能量几百eV（较先前报道低2~3个数量级）的自由电子激励的切伦科夫辐射，同时研制出将电子发射源、双曲超材料、辐射提取单元集成一体的芯片，实现世界上首个全片上集成自由电子光源，尺寸仅为200微米（较传统自由电子光源尺寸缩小上万倍），成果发表于《Nature Photonics》，入选“2017中国光学十大进展”；（2）借助微纳结构光栅实现深紫外波段Smith-Purcell辐射（Smith-Purcell radiation，SPR），实验中控制自由电子穿过二维光栅结构中的纳米狭缝，将SPR辐射波长拓展到230nm，并且实现SPR辐射波长达百纳米范围的调控（《Optica》）；（3）提出并理论研究了基于SPP的受激切伦科夫辐射，基于该方法可以产生紫外波段可调谐的受激切伦科夫辐射（波长小于200nm、线宽小于0.3nm），为实现深紫外可调的光源提供了可能（《Optics Express》）;（4）基于预群聚电子的相干Smith-Purcell辐射，获得0.3THz的超窄线宽（300Hz）小型化的自由电子THz辐射源。