前沿进展Nat. Photonics | 强激光场中光子轨道自旋耦合的探测和操控

“中国光学十大进展”候选栏目正式更名为“前沿进展”，全新的命名，全新的开始，欢迎广大专家学者投稿。

1 导读

北京大学现代光学研究所刘运全教授和龚旗煌院士领导的“极端光学创新研究团队”利用高分辨光电子成像技术，使用径向偏振的涡旋光束作为驱动光与超音速氙(Xe)原子进行相互作用，在实验上首次实现了强激光场中光子轨道-自旋耦合过程的探测以及调控。该实验将飞秒结构光场引入强场电离过程，为极紫外光子束的超快时空调控提供了全新途径。与此同时，该工作首次在实验上证实了在光学聚焦系统中，光子轨道自旋转化的存在，在强光场拓扑结构的原位探测方面也具有深远意义。研究成果以“Photoelectronic mapping of the spin–orbit interaction of intense light field”为题于2021年2月发表在Nature Photonics上。2021 | 前沿进展

2 研究背景

微观粒子的自旋角动量(spin angular momentum, SAM)和轨道角动量(orbital angular momentum, OAM)是描述粒子复杂动力学行为中最基本的两个物理量，普遍存在于自然界之中。在光子中，这两个角动量之间的耦合也叫做光子的自旋轨道相互作用(spin–orbit interaction, SOI)，在光与物质相互作用的研究以及应用中都具有举足轻重的意义。根据自旋角动量和轨道角动量的传递形式，光子的自旋轨道相互作用可以区分为自旋-轨道转换和轨道-自旋转换。其中，光子的自旋-轨道转换在近十年来得到广泛的研究，然而它的逆过程——轨道-自旋转换至今仍未在实验中得到观测和调控。
随着超短脉冲激光技术的飞速发展，超强飞秒激光的光场能量在时空中高度集中，使得聚焦后的激光场强度可以远远超过原子内部的库伦场。对于如此强的激光场的自旋-轨道态及其耦合，在光与物质的非线性相互作用中扮演着十分重要的角色，特别是可以产生具有高轨道态、自旋态可控的极紫外光子束和电子束。但由于巨大的光子能量密度，传统的光学方法，譬如近场重构技术，在强场领域已经完全失效。揭示强激光场中光子的自旋轨道相互作用是一个没有解决但又非常重要的问题。

3 研究创新点1利用强场电离手段探测光子自旋轨道相互作用

强激光场的自旋轨道相互作用的探测是具有挑战性的。在所有强场实验中，为了达到所需的激光强度，激光需要被聚焦到十分小的空间尺度当中(~10 μm)。焦点处的光强对所有光学元件都是破坏性的。此外，强光与物质相互作用通常是在超高真空的环境下进行的。由于以上困难，强激光场中光子的自旋轨道相互作用至今仍未被探测。

为了解决以上问题，刘运全教授和龚旗煌院士等将强场光电离探测技术应用到了光子自旋轨道相互作用的测量当中(图1)。他们利用超结构波片和螺旋相位板等光学器件将平面波制备成径向偏振的涡旋光束，并借助狭缝控制光场的空间构型，在此过程中，光子只具有了轨道角动量而不具有自旋角动量。通过Richards–Wolf矢量衍射理论模拟发现，如果将得到的结构光场聚焦，焦平面的光场会耦合出自旋角动量(图2)。通过冷靶反冲离子电子动量成像谱仪(COLTRIMS)实验装置，他们测量了强结构光场在不同狭缝间距下与氙原子相互作用的光电子动量分布。光电子动量分布随着狭缝间距的依赖关系直接证明了结构光场的轨道自旋耦合过程。

图1 光子轨道-自旋相互作用及光电子成像实验示意

3 研究创新点2

光子轨道自旋转化的探测和操控

光子的自旋角动量转化为轨道角动量在过去几年中已经得到了广泛的研究。但是轨道角动量转换为自旋角动量却至今仍未被实验证实。在Minkowski形式下计算焦平面处单个光子的能量动量密度分布(图2)，可以看到光子能够耦合出一定的自旋角动量，根据角动量守恒，这部分自旋角动量正是由入射光的轨道角动量转化而来。而转化得到的自旋角动量可以通过狭缝得以控制。在实验上，通过控制狭缝间距，氙原子电离产生的光电子动量分布会随着狭缝间距的减小发生明显变化(图3)，光电子动量分布从类似于圆偏光场作用形成的光电子动量分布[M. M. Liu et al., Phys. Rev. Lett. 120, 043201(2018)], 逐渐变成了类似线偏光作用下形成的光电子动量分布[M. Li et al., Phys. Rev. Lett. 023006 (2013)]。利用量子蒙特卡洛模型(QTMC)，计算上能够很好地重现实验中测量得到的光电子动量分布。结合理论模拟和实验结果，他们成功从实验中提取了轨道-自旋的转换效率。

图2 焦平面光场的理论模拟

图3 光电子动量分布的实验测量和理论模拟

4 总结光子的自旋态和轨道态在现代光学甚至其他领域中都扮演了十分重要的角色。近几年里，光子的轨道角动量通过高次谐波过程被引入了强场科学。借助光子的轨道角动量，极紫外光子的超快时空调控得到了飞速的发展。在强场电离中，光子的空间结构也在逐渐引起重视。本项研究结果为强场科学以及结构光学的基础研究和应用提供了一个全新的思路，开辟了结构光场驱动的强场电离的研究。在不久的未来，结构光场与强场物理的结合会变得更加紧密。北京大学刘运全教授为论文的通讯作者，博士研究生方一奇为第一作者。该项研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部、人工微结构和介观物理国家重点实验室、量子物质科学协同创新中心和极端光学协同创新中心等的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-020-00709-3推荐阅读：
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