导 读
国家超算广州中心用户、中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室的王精伟博士研究团队，依靠“天河二号”的强大计算能力对谐波光场的相位结构进行大规模三维模拟，发现利用相对论强度的圆偏振激光与固体靶作用可以产生高强度的携带有轨道角动量的表面高次谐波，并通过揭示该现象的物理本质提出了一种产生单个阿秒涡旋光脉冲的方案，该方案为手性结构、磁性等材料的超快探测提供了一种可能的优良光源。相关研究成果成功发表在国际权威期刊《Nature Communications》（影响因子：11.878）上。
具有螺旋相位的光场因为携带有轨道角动量而被称之为“涡旋光”。轨道角动量与自旋角动量一同构成了相干光场的角动量属性。涡旋光在光学成像、光子操控和光通信上已经展现出重要的应用前景。目前，产生低强度的涡旋光可以借助螺旋相位板或光栅来实现，但是对于探测成像所需的紫外波段的涡旋光，尤其是高强度的紫外涡旋光，产生的难度仍然很大。
中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室的王精伟博士与德国和俄罗斯的科学家们组成联合团队，致力于在产生高强度阿秒涡旋光脉冲方面取得突破。基于前期在“天河二号”上进行的大规模高精度的模拟仿真工作，近期，该团队发现利用相对论强度的圆偏振激光与固体靶作用可以产生高强度的携带有轨道角动量的表面高次谐波，揭示出其中的物理本质是光的自旋角动量转化为轨道角动量，并且根据这个新物理提出了一种产生单个阿秒涡旋光脉冲的方案，相关成果于2019年12月发表在国际权威期刊《自然-通讯》（影响因子：11.878）上。在这该项研究中，研究人员发现将相对论强度的圆偏振激光垂直入射到固体靶表面时，可以让平面靶的表面发生形变而形成一个凹槽结构。该凹槽结构使得垂直入射的非轴上的光变成了斜入射，从而能有效的振荡等离子体表面，进而产生表面高次谐波辐射。更为有趣的是该等离子体振荡相位取决于等离子体所在的方位角，从而将轨道角动量引入到产生的高次谐波辐射中，如下图（a）所示。通过提取出单阶谐波的信息，发现谐波的强度分布是典型的甜甜圈结构，而其相位呈现出螺旋结构，如下图（b）所示。进一步分析发现，谐波中光子的轨道角动量是由多个驱动光子的自旋角动量转化而来，而且该转化过程满足角动量守恒定律，使得第n阶谐波中的光子携带的轨道角动量是 (n-1)ℏ。
▲ (a)圆偏振光转化为涡旋光原理图；(b)第三阶谐波的相位结构以及强度分布
该项工作突破了之前难以通过光学器件产生高强度涡旋光的限制，使得利用目前已有的拍瓦级强激光和固体靶直接作用来产生相对论强度的涡旋光场成为可能。研究人员进一步提出，如果采用预先凹槽处理的固体靶与少周期的超短脉冲作用，可以产生高强度的单个阿秒涡旋脉冲，如下图所示。这为手性结构材料以及磁性材料中的电子运动超快探测提供了一种可能的优良光源。该研究中的模拟计算工作全部在超算中心的“天河二号”超级计算机上完成。论文第一作者王精伟博士介绍道，“由于谐波光场的相位结构是三维图像，需要三维模拟以及足够精细的时间空间步长来分辨各阶谐波，计算规模非常大，自有的小型服务器根本无法满足，只有依靠‘天河二号’这样世界顶尖的超级计算机才能完成。在模拟过程中，天河系统超高的并行效率以及稳定的资源环境保证了大型三维模拟的快速成功运行。与此同时，超算中心的技术支持服务也值得称赞，每当我们遇到计算问题，技术支持工程师总是能迅速、耐心并且高效地帮助我们解决。总之，我们的研究工作能顺利进行离不开国家超算广州中心的大力支持与协助。未来，我们还希望借助超算进行激光聚变方面的流体模拟研究，相信‘天河二号’在关乎人类能源未来的大科学研究中也将继续‘大显身手’。”