上海光机所 | 将时空涡旋光研究推向相对论强场领域

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涡旋光与角动量

早在1989年法国 Coullet 等人首次提出了光学涡旋（Optical vortices, OV）的概念。作为光的基本属性之一，通常光子的自旋角动量和轨道角动量沿着光场的传播方向，为纵向角动量。其中：自旋角动量和光子的圆偏振状态有关；纵向轨道角动量对应于光场横截面的角向涡旋相位。涡旋相位中心是一个相位奇点，使得光场横截面中心光强为零。

近年来，理论和实验研究表明，激光还可携带与传播方向垂直的横向轨道角动量，相位奇点位于时间-空间域，是一种时空涡旋光。纵向角动量可类比于飞机螺旋桨，旋转轴和飞机行进方向平行；横向角动量则类似于车轮，沿着垂直于车辆行进方向转动。因此，也有工作将携带横向角动量的光形象地称之为“光轮”（photonic wheels）。

图1 纵向（左图）与横向角动量（右图）类比

doi: 10.1038/nphoton.2015.203

时空涡旋光所携带的横向轨道角动量为光场提供了一个新的自由度，在粒子操控、光通讯、手性材料等方面有广泛应用前景。目前，人们对这一新型光场开展了大量研究，包括其在自由空间中的传播特性、空间纵向轨道角动量与时空横向轨道角动量的叠加、亚波长尺度内时空涡旋的生成方法、二次谐波时空涡旋等。然而，这些研究都只局限于较弱光强条件下(≤10¹⁴ W cm^-2)，相对论强场(≥10¹⁸ W cm^-2)条件下时空涡旋光的研究尚少有涉及。

强场时空涡旋谐波产生

近日，上海光机所强场激光物理国家重点实验室团队将时空涡旋光研究推向相对论强场区域。通过激光等离子体动力学模拟，研究团队使用一束相对论强度的时空涡旋光正入射等离子体固体靶，驱动形成时空耦合的相对论等离子体振荡镜，在反射光中获得了强场时空涡旋谐波。谐波所携带的横向轨道角动量和谐波阶次成正比。

成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2022年第6期文章。

Lingang Zhang, Liangliang Ji, and Baifei Shen. Intense harmonic generation driven by a relativistic spatiotemporal vortex beam[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2022, 10(6), 06000e46.

谐波产生方案如图2(a)所示。作为驱动光的时空涡旋光处在红外波段，中心波长800 nm，拓扑荷为-1，电场呈现中空的叉形分布（图2(b)），上下部分电场相差1个光周期；图2(d)、(e)可见时空涡旋的能量流（白色箭头）以及纯横向轨道角动量L_z。此外，时空涡旋光最主要的一个特点是包含多种频率成分，如图2(c)所示，不同空间y位置处的频率k_x各不相同。

图2 (a) 强场时空涡旋谐波产生方案示意图；(b)-(d) 时空涡旋驱动光电场、频谱、能流及横向轨道角动量分布

该时空涡旋光驱动下，等离子体靶表面电子形成时空耦合的相对论等离子体振荡镜（ST-ROM），如图3所示，在靶横向区域，电子振荡频率大于2倍激光频率2ω₀，反之小于2ω₀。快速振荡的电子速度接近光速，在反射驱动光的同时，由于多普勒效应，使得反射光频率升高，形成覆盖深紫外至极紫外波段的不同阶次高次谐波，频谱如图4(a)所示。同时，ST-ROM将驱动光的时空涡旋特性有效转移给各阶谐波，其中1、3、5次谐波的电场分布和横向轨道角动量分布如图4(b)-(g)所示，谐波平均每光子所携带横向轨道角动量分别为0.95ℏ、2.67ℏ、4.23ℏ（ℏ为约化普朗克常数），与谐波阶次成正比，这是角动量守恒定律在谐波产生过程中的体现。

本方案基于等离子体固体靶产生高次谐波，可以支持极高的驱动激光强度。研究结果表明，在7.7×10¹⁹ W cm^-2驱动激光强度下，可产生强度约3.8×10¹⁷ W cm^-2、平均每光子携带6.1ℏ横向轨道角动量的极紫外（中心波长89 nm）时空涡旋谐波，在超快三维粒子操控等方面具有广泛的应用前景。

图3 时空耦合的相对论等离子体振荡镜

图4 (a) 强场时空涡旋谐波频谱；(b)-(g) 1、3、5阶谐波电场及横向轨道角动量分布

总结与展望

该工作将光场的时空涡旋特性与相对论激光物理相结合，研究了相对论强度时空涡旋光与固体等离子体靶的相互作用，获得了携带横向轨道角动量的强场时空涡旋谐波。未来，随着激光相干组束等技术的发展，实验室所能获得的时空涡旋光强度将不断提升，相对论强度时空涡旋光的应用亦将更加广泛。

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