中科大：线偏振涡旋光驱动得到电子脉冲链

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封面解读

封面呈现了聚焦在靶面的涡旋光束。涡旋激光中心区的场结构主要由轴向电场和轴向磁场主导。当光束从等离子体上反射时，产生电子脉冲链束流。从固体等离子体表面拉入电子后，轴向电场和轴向磁场则会加速电子。在中心区域，电子可以在激光束内得到持续的加速，最终获得稳定的能量。

波前调制的涡旋光

宋朝张世南《游宦纪闻》中的一句话“大洋海中有涡旋处，龙在其下，涌出其涎。”曾提到“涡旋”一词。涡旋现象在自然界中十分常见，除了刚刚提到的水旋涡，今天我们主要来讨论下在光学中的涡旋。那么，什么是涡旋光呢？

涡旋光，是不同于常见光束的平面形式等相位面，其等相位波前是螺旋的，通常也表述为Laguerre–Gaussian（LG）光束，其主要特性包括涡旋的波前和强度的中空等。如图1所示，可以看到扭曲的波前和坡印亭矢量。由于中间的相位奇点，形成强度的中空。不同于偏振调控技术，涡旋光采用的是波前调控技术。科学界普遍认为涡旋光是携带轨道角动量的光束，在计算光束轨道角动量时，沿着传播方向的轴向场是不可忽略的关键项。在自由空间中，理论上只有理想的平面波是完全由垂直于传播方向的横向场所构成。因此，轴向场代表了涡旋光束的一个本质特征。

当下已有许多关于涡旋光与等离子体相互作用的模拟或验证性实验研究。这些研究中，大多数只是利用了涡旋光在横截面强度的中空性质。在这些研究的激励下，高功率涡旋光的产生技术也得到了很多发展，例如基于CPA技术直接放大来获得高功率涡旋光或者利用结构靶反射来调制高功率激光的波面（Spiral phase plasma mirror - IOPscience）等。在高功率激光技术领域，峰值功率、重复频率、脉宽、波长、总能量、对比度、聚焦强度和偏振态等技术参数常常被认为是影响激光等离子体物理的关键。随着高功率激光装置在全世界的快速发展，新的技术也不断被开发，比如利用波前调控生成高功率涡旋光。

图1 涡旋光的扭曲波面和坡印亭矢量

据悉，改变涡旋光束的横向模式，可以获得不同的轴向场分布。因此通过调制波前，轴向场分布也可以获得调控。通常轴向场的振幅比横向场低至少一个量级，而在紧聚焦情况下，横向场的振幅已远超相对论标准，对应的轴向场也会到达相对论量级。高功率激光装置中，为了获得高场强一般会紧聚焦光束。而严重偏离了平面波的聚焦光束，不仅会带来二阶非线性的有质动力，也不可避免地带来沿传播轴方向的轴向场。轴向场的振幅，相对于横向场来说较低，但绝对值仍可达到相对论量级。对于涡旋指数为1的涡旋光，在光束中心横向场为零，轴向场振幅却是最大。这实现了空间上的轴向场与横向场的分离，也因此可能会突出轴向场的作用效果，为涡旋光与等离子体相互作用带来新的改变。

在前期工作中（Phys. Rev. Lett. 126, 234801 (2021)，Commun Phys 5, 116 (2022)，Plasma Phys. Control. Fusion 63 125032 (2021)），作者研究了7 PW、 3 PW和0.6 PW的圆偏振Laguerre–Gaussian光束与固体靶或泡沫靶的相互作用，给出了不同情况下电子的加速结果和注入条件。图2给出了电子注入和加速的模拟结果。理论和模拟都证实，选择合适的注入位置，电子可以在适当的距离后得到净加速能量，并且保持较好的能散和发散度。理论同时预测了电子加速过程，以及最终加速能量与激光功率、初始相位和聚焦位置的关系，并解释了加速能量与聚焦焦斑没有直接的关系。

图2 三维模拟中涡旋光束产生类似子弹的电子束。致密的电子束（绿色）被轴向电场（正负等值面分别用红色和蓝色表示）加速

近日，中国科学技术大学核科学与技术学院时银研究员提出利用线偏振的涡旋光与固体等离子体相互作用，在紧聚焦情况下轴向场完成电子的注入和加速。发现只需使用线偏振而非圆偏振的涡旋光束，就可以获得较好的电子加速结果，从而使得在高功率激光装置上完成验证性实验变得更为容易。

相关成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2022年第6期，并被选为封面文章。

Yin Shi, David R. Blackman, Ping Zhu, Alexey Arefiev. Electron pulse train accelerated by a linearly polarized Laguerre–Gaussian laser beam[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2022, 10(6): 06000e45。

利用线偏振的涡旋光进行轴向的电子加速

由于实验上同时获得圆偏振和涡旋光对于高功率激光技术要求更高，本文主要研究了直接利用线偏振涡旋光（涡旋指数为1）加速的可能性。线偏振涡旋光可以被视作两个圆偏振涡旋光的叠加结果。之前的理论表明，涡旋指数为1或-1时，左圆偏振和右圆偏振中仅有一种情况能获得光束中心轴向场不为零的现象。所以对于线偏振涡旋光，可以得到光束中心的非零轴向场。

线偏振涡旋光与固体等离子体相互作用会产生高次谐波。前期工作表明，注入位置和古依相移（gouy phase shift）对于加速电子获得净能量至关重要。古依相移随加速距离的变化，依赖于频率和涡旋指数。这意味着，如果实际中加速是由不同模式的轴向场共同作用，最后的净能量是无法保证的。

已发表的工作（Phys. Rev. Lett.114, 173901 (2015) ）显示，线偏振涡旋光的高次谐波中频率与涡旋指数对于阶次的依赖是相同的。结合对于涡旋模式用于加速的完整理论分析，即便有高次谐波效应，得到的光束中心的轴向场也是接近单一模式的。除了振幅降低，理论上可以认为线偏振涡旋光（涡旋指数为1）可以同样用于加速。对于完备涡旋模式的轴向场分析显示，仅有一种模式中光束中心存在非零值的轴向场。在实际实验中，涡旋光束质量的非单一模式，高强度涡旋光与等离子体相互作用不可避免会产生多模式结构。理论上，这些都不会影响轴向场的加速效果。这有望为该加速方案带来一定的稳健性。

在图3的模拟结果中，研究发现开始时有三组电子的注入和加速，但高精度长距离的三维模拟证实，最终只有光束中心的电子（图3 (d, g)）获得了净能量和高质量加速。起初其他两组电子虽也展示出加速效果，但长时间模拟显示其并不能获得稳定的能量。因加速电子对相位敏感，故调整了不同的模拟精度，来验证结果的稳定性。稳定净能量的获得也与理论解析公式的预测显示一致。

图3 (a) 电子面密度峰值处随机选择三组电子; (b) 追踪三组电子（蓝点、绿点和红点）的注入和加速; (c) 三组电子的注入位置; (d, g)、(e, h)和(f, i)分布给出三组电子的轨迹。结果证明，仅中心的一组电子(d, g)获得了持续加速和最后的稳定能量

总结来看，0.6 PW线偏振涡旋光（涡旋指数为1）可以获得300 MeV的电子束，单个周期内的电荷量约为6 pC，脉宽为亚飞秒（270 as）。如果利用800 fs的涡旋光束，理论上可以得到300个上述脉冲的电子脉冲链。这可以视作密度预调的电子束，从而有望生成高质量的辐射源，用作诊断光源等。

总结与展望

涡旋光的轴向场加速电子，仍然有很多问题值得研究。以往对涡旋光与固体等离子体相互作用的研究，多着重其强度的中空特性。在不考虑传播效应时，这种中空特性可以用其他方法，比如纳米结构靶来实现。作为对比，涡旋波面的调制对应的是有限焦斑光束的高阶模式。利用高阶模式集合，可以对任意光束进行完备集展开和近似拟合。所以分析具体的高阶模式，也有望揭示更加本质的特性。特别是，有限焦斑的变化带来轴向场的分布变化，从而有望调控轴向场的电子加速效应。未来将会进一步研究，预等离子体以及入射角等对电子注入和加速的影响。此种加速机制有望充分利用更长脉宽（比如“神光II”装置上的皮秒拍瓦激光）的激光脉冲来获得高电荷量的加速电子。

作者介绍

时银

中国科学技术大学核科学技术学院

主要研究方向：激光等离子体物理

时银，中国科学技术大学核科学技术学院特任研究员，中科院人才计划青年项目入选者，博士生导师。主要利用在超算上并行运行的PIC模拟，来研究激光等离子体物理。主要从两方面展开：角动量驱动的强磁场生成和涡旋光的加速效应。潜在应用包括高质量电子束、离子加速器、紧凑型光源和惯性约束聚变等。在Phys. Rev. Lett., New Journal of Phys., Plasma Phys. Contr. Fusion，Phys. Plasmas等国际学术期刊上发表论文多篇，并担任其中多个期刊的审稿人。

基金致谢

该工作得到了中科大统筹推进世界一流大学和一流学科建设专项，中科院先导专项和中科院稳定支持基础研究领域青年团队计划项目等的支持。

编辑 | 周琦雅

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